Плазмон - Plasmon

Не путать с плазмарон. Марку сухого молочного печенья см. Плазмонное печенье.
Физика конденсированного состояния
QuantumPhaseTransition.svg
Фазы  · Фаза перехода  · QCP
Квазичастицы
Фонон  · Экситон  · Плазмон
Поляритон  · Полярон  · Магнон

В физика, а плазмон это квант из плазменное колебание. Как только свет (оптическое колебание) состоит из фотоны плазменное колебание состоит из плазмонов. Плазмон можно рассматривать как квазичастица поскольку возникает из-за квантования плазменных колебаний, как и фононы квантования механических колебаний. Таким образом, плазмоны представляют собой коллективные (дискретное число) колебания свободный электронный газ плотность. Например, на оптических частотах плазмоны могут пара с фотон создать другую квазичастицу, называемую плазмоном поляритон.

Вывод

Плазмон был первоначально предложен в 1952 г. Дэвид Пайнс и Дэвид Бом[1] и было показано, что он возникает из Гамильтониан для дальних электрон-электронных корреляций.[2]

Поскольку плазмоны представляют собой квантование классических плазменных колебаний, большинство их свойств могут быть получены непосредственно из Уравнения Максвелла.[3]

Объяснение

Плазмоны в классической картине можно описать как колебание электронной плотности относительно фиксированной положительной ионы в металл. Чтобы визуализировать плазменное колебание, представьте себе металлический куб, помещенный во внешний электрическое поле указывая вправо. Электроны будут перемещаться в левую сторону (открывая положительные ионы с правой стороны), пока они не отменят поле внутри металла. Если электрическое поле убрать, электроны движутся вправо, отталкиваясь друг от друга и притягиваясь к положительным ионам, оставшимся обнаженными с правой стороны. Они колеблются взад и вперед на плазменная частота до энергия потеряно в каком-то сопротивление или же демпфирование. Плазмоны - это квантование такого рода колебаний.

Роль

Плазмоны играют большую роль в оптический свойства металлы и полупроводники. Частоты свет ниже плазменная частота находятся отраженный материалом, потому что электроны в материале экран в электрическое поле света. Свет с частотами выше плазменной частоты передается материалом, потому что электроны в материале не могут реагировать достаточно быстро, чтобы экранировать его. В большинстве металлов плазменная частота находится в диапазоне ультрафиолетовый, делая их блестящими (отражающими) в видимом диапазоне. Некоторые металлы, такие как медь[4] и золото,[5] имеют электронные межзонные переходы в видимом диапазоне, в результате чего поглощаются определенные энергии света (цвета), что дает их отчетливый цвет. В полупроводники, то валентный электрон частота плазмонов обычно находится в глубоком ультрафиолете, в то время как их электронные межзонные переходы находятся в видимом диапазоне, в результате чего определенные энергии света (цвета) поглощаются, давая их отчетливый цвет[6][7] вот почему они отражающие. Было показано, что частота плазмона может возникать в средней инфракрасной и ближней инфракрасной областях, когда полупроводники находятся в форме наночастиц с сильным легированием.[8][9]

Энергию плазмона часто можно оценить в модель свободных электронов в качестве

куда это электрон проводимости плотность, это элементарный заряд, это масса электрона, в диэлектрическая проницаемость свободного пространства, в приведенная постоянная Планка и в частота плазмона.

Поверхностные плазмоны

Основная статья: Поверхностный плазмон

Поверхностные плазмоны это те плазмоны, которые ограничены поверхностями и которые сильно взаимодействуют со светом, что приводит к поляритон.[10] Они возникают на границе раздела материала, показывающего положительную действительную часть их относительной диэлектрической проницаемости, т.е. диэлектрическая постоянная (например, вакуум, воздух, стекло и другие диэлектрики) и материал, реальная часть диэлектрической проницаемости которого отрицательна на данной частоте света, обычно металл или сильно легированные полупроводники. В дополнение к противоположному знаку действительной части диэлектрической проницаемости, величина реальной части диэлектрической проницаемости в области отрицательной диэлектрической проницаемости обычно должна быть больше, чем величина диэлектрической проницаемости в области положительной диэлектрической проницаемости, в противном случае свет не привязан к поверхность (т.е. поверхностные плазмоны не существуют), как показано в знаменитой книге Хайнц Рэтер.[11] При видимых длинах волн света, например Длина волны 632,8 нм, обеспечиваемая гелий-неоновым лазером, интерфейсы, поддерживающие поверхностные плазмоны, часто образованы металлами, такими как серебро или золото (отрицательная действительная диэлектрическая проницаемость), которые контактируют с диэлектриками, такими как воздух или диоксид кремния. Конкретный выбор материалов может сильно повлиять на степень удержания света и расстояние распространения из-за потерь. Поверхностные плазмоны также могут существовать на интерфейсах, отличных от плоских поверхностей, таких как частицы или прямоугольные полосы, v-образные канавки, цилиндры и другие структуры. Многие структуры были исследованы из-за способности поверхностных плазмонов удерживать свет ниже дифракционного предела. Одна простая структура, которая была исследована, представляла собой многослойную систему меди и никеля. Младенович и другие. Сообщите об использовании многослойных материалов, как если бы это был один плазмонный материал.[12] Оксид меди предотвращается добавлением слоев никеля. Это простой путь интеграции плазмоники для использования меди в качестве плазмонного материала, потому что это наиболее распространенный выбор для металлического покрытия наряду с никелем. Многослойные слои служат дифракционной решеткой для падающего света. Благодаря многослойной системе при нормальном падении может быть достигнуто пропускание до 40 процентов в зависимости от соотношения толщины меди и никеля. Таким образом, использование уже популярных металлов в многослойной структуре оказалось решением для плазмонной интеграции.

Поверхностные плазмоны могут играть роль в Рамановская спектроскопия с усилением поверхности и в объяснении аномалий дифракции от металла решетки (Вуда аномалия), среди прочего. Поверхностный плазмонный резонанс используется биохимики для изучения механизмов и кинетики связывания лигандов с рецепторами (т. е. связывания субстрата с фермент ). Многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс может использоваться не только для измерения молекулярных взаимодействий, но также для измерения свойств нанослоев или структурных изменений в адсорбированных молекулах, полимерных слоях или, например, графене.

Поверхностные плазмоны могут также наблюдаться в рентгеновских эмиссионных спектрах металлов. Получено дисперсионное соотношение для поверхностных плазмонов в рентгеновских эмиссионных спектрах металлов (Харш и Агарвал).[13]

Готика витраж окно-роза из Собор Парижской Богоматери. Некоторые цвета были получены коллоиды наночастиц золота.

Совсем недавно поверхностные плазмоны стали использовать для управления цветом материалов.[14] Это возможно, поскольку контроль формы и размера частицы определяет типы поверхностных плазмонов, которые могут взаимодействовать с ней и распространяться по ней. Это, в свою очередь, контролирует взаимодействие света с поверхностью. Эти эффекты иллюстрируются историческими витраж которые украшают средневековые соборы. Некоторые цвета цветных витражей создаются металлическими наночастицами фиксированного размера, которые взаимодействуют с оптическим полем, придавая стеклу яркий красный цвет. В современной науке эти эффекты были разработаны как для видимого света, так и для микроволновое излучение. Многие исследования сначала ведутся в микроволновом диапазоне, потому что на этой длине волны поверхности материалов и образцы могут быть получены механическим способом, поскольку рисунки обычно имеют размер порядка нескольких сантиметров. Создание поверхностных плазмонных эффектов оптического диапазона включает создание поверхностей с характеристиками <400нм. Это намного сложнее, и только недавно стало возможно сделать это надежным и доступным способом.

Недавно было показано, что графен вмещает поверхностные плазмоны, наблюдаемые с помощью методов ближнепольной инфракрасной оптической микроскопии.[15][16] и инфракрасная спектроскопия.[17] Потенциальные применения графеновой плазмоники в основном касались терагерцовых и средних инфракрасных частот, таких как оптические модуляторы, фотодетекторы, биосенсоры.[18]

Возможные применения

Положение и интенсивность пиков поглощения и излучения плазмонов зависят от молекулярной адсорбция, который можно использовать в молекулярные сенсоры. Например, полностью работоспособное устройство, обнаруживающее казеин в молоке был прототип, основанный на обнаружении изменения поглощение золотого слоя.[19] Локализованные поверхностные плазмоны металлических наночастиц можно использовать для зондирования различных типов молекул, белков и т. Д.

Плазмоны рассматриваются как средство передачи информации о компьютерные чипы, поскольку плазмоны могут поддерживать гораздо более высокие частоты (до 100ТГц диапазон, в то время как обычные провода становятся очень потерянными в десятках ГГц ). Однако для практической реализации электроники на основе плазмонов необходимо использовать усилитель на основе плазмонов, аналогичный транзистор, называется плазмонщик, необходимо создать.[20]

Плазмоны также были предложил как средство высокого разрешения литография и микроскопия из-за их чрезвычайно малых длин волн; оба этих приложения были успешно продемонстрированы в лабораторных условиях.

Наконец, поверхностные плазмоны обладают уникальной способностью ограничивать свет очень маленькими размерами, что может открыть множество новых приложений.

Поверхностные плазмоны очень чувствительны к свойствам материалов, по которым они распространяются. Это привело к их использованию для измерения толщины монослоев на коллоид фильмы, такие как просмотр и количественная оценка белок обязательные события. Такие компании как Biacore имеют коммерческие инструменты, которые работают на этих принципах. Оптические поверхностные плазмоны исследуются с целью улучшения макияжа путем L'Oréal и другие.[21]

В 2009 году корейская исследовательская группа нашла способ значительно улучшить органический светодиод эффективность с использованием плазмонов.[22]

Группа европейских исследователей во главе с IMEC начал работу по улучшению солнечная батарея эффективность и затраты за счет включения металлических наноструктур (с использованием плазмонных эффектов), которые могут улучшить поглощение света различными типами солнечных элементов: кристаллический кремний (c-Si), высокоэффективные III-V, органические и сенсибилизированные красителями.[23] Однако для плазмонных фотоэлектрический устройства для оптимального функционирования, ультратонкие прозрачные проводящие оксиды необходимы.[24]Полноцветный голограммы с помощью плазмоника[25] были продемонстрированы.

Плазмон-Солитон

Плазмон -Солитон математически относится к гибридному решению нелинейного уравнения амплитуды, например для металл-нелинейной среды с учетом как плазмонной моды, так и уединенного решения. С другой стороны, солиплазмонный резонанс рассматривается как квазичастица, объединяющая поверхностный плазмон мода с пространственным солитоном в результате резонансного взаимодействия.[26][27][28][29] Для достижения одномерного одиночного распространения в плазмонный волновод в то время как поверхностные плазмоны должны быть локализованы на интерфейсе, поперечное распределение заполненного конверта также должно быть неизменным.
Графен волновод является подходящей платформой для поддержки гибридных плазмонных солитонов из-за большой эффективной площади и огромной нелинейности.[30] Например, распространение уединенных волн в гетероструктуре графен-диэлектрик может проявляться в виде солитонов более высокого порядка или дискретных солитонов, возникающих в результате конкуренции между дифракция и нелинейность.[31][32]

Смотрите также

Сноски

  1. ^ Сосны, Дэвид; Бом, Дэвид (15 января 1952). "Коллективное описание электронных взаимодействий: II. Коллективные и индивидуальные аспекты взаимодействия частиц". Физический обзор. 85 (2): 338–353. Bibcode:1952ПхРв ... 85..338П. Дои:10.1103 / PhysRev.85.338. Процитировано после: Дрор Сарид; Уильям Челленер (6 мая 2010 г.). Современное введение в поверхностные плазмоны: теория, математическое моделирование и приложения. Издательство Кембриджского университета. п. 1. ISBN  978-0-521-76717-0.
  2. ^ Дэвид Бом, Дэвид Пайнс (1 ноября 1953 г.). «Кулоновские взаимодействия в вырожденном электронном газе». Phys. Rev. Коллективное описание электронных взаимодействий. III. 92 (3): 609–625. Bibcode:1953ПхРв ... 92..609Б. Дои:10.1103 / Physrev.92.609. Процитировано после: Н. Я. Шевчик (1974). «Альтернативный вывод теории Бома-Пайнса электрон-электронного взаимодействия». J. Phys. C: Физика твердого тела. 7 (21): 3930–3936. Bibcode:1974JPhC .... 7.3930S. Дои:10.1088/0022-3719/7/21/013.
  3. ^ Джексон, Дж. Д. (1975) [1962]. «10.8 Колебания плазмы». Классическая электродинамика (2-е изд.). Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-471-30932-1. OCLC  535998.
  4. ^ Бердик, Гленн (1963). «Энергетическая зонная структура меди». Физический обзор. 129 (1): 138–150. Bibcode:1963ПхРв..129..138Б. Дои:10.1103 / PhysRev.129.138.
  5. ^ С.Зенг; и другие. (2011). «Обзор функционализированных наночастиц золота для биосенсорных приложений». Плазмоника. 6 (3): 491–506. Дои:10.1007 / s11468-011-9228-1.
  6. ^ Киттель, К. (2005). Введение в физику твердого тела (8-е изд.). Джон Уайли и сыновья. п. 403, таблица 2.
  7. ^ Беер, К. В. (2002). Обзор физики полупроводников. 1 (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. п. 525.
  8. ^ Синь Лю; Марк Т. Свихарт (2014). «Сильнолегированные нанокристаллы коллоидных полупроводников и оксидов металлов: новый класс плазмонных наноматериалов». Chem. Soc. Rev. 43 (11): 3908–3920. Дои:10.1039 / c3cs60417a. PMID  24566528.
  9. ^ Сяодун Пи, Кристоф Делеру (2013). «Расчеты сильной связи оптического отклика оптимально легированных P-нанокристаллов Si: модель локализованного поверхностного плазмонного резонанса». Письма с физическими проверками. 111 (17): 177402. Bibcode:2013ПхРвЛ.111q7402П. Дои:10.1103 / PhysRevLett.111.177402. PMID  24206519.
  10. ^ Цзэн, Шувен; Ю, Ся; Ло, Винг-Чунг; Чжан, Ятин; и другие. (2013). «Зависимость от размера поверхностного плазмонного резонанса, усиленного наночастицами золота, на основе измерения дифференциальной фазы». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 176: 1128–1133. Дои:10.1016 / j.snb.2012.09.073.
  11. ^ Рэтер, Хайнц (1988). Поверхностные плазмоны на гладких и шероховатых поверхностях и решетках.. Springer. п. 119. ISBN  978-3540173632.
  12. ^ Младенович, I .; Jakšić, Z .; Обрадов, М .; Вукович, С .; Isić, G .; Танаскович, Д .; Ламовец, Дж. (17 апреля 2018 г.). «Субволновые никель-медные мультислои как альтернативный плазмонный материал». Оптическая и квантовая электроника. 50 (5). Дои:10.1007 / s11082-018-1467-3.
  13. ^ Harsh, О.К .; Агарвал Б.К. (1988). "Зависимость дисперсии поверхностных плазмонов в спектрах рентгеновского излучения полубесконечного прямоугольного металла, ограниченного плоскостью". Физика B + C. 150 (3): 378–384. Bibcode:1988PhyBC.150..378H. Дои:10.1016/0378-4363(88)90078-2.
  14. ^ «Светодиоды работают как крылья бабочки». Новости BBC. 18 ноября 2005 г.. Получено 22 мая, 2010.
  15. ^ Цзянь Чен, Микела Бадиоли, Пабло Алонсо-Гонсалес, Сукошин Тонграттанасири, Флориан Хут, Иоганн Осмонд, Марко Спасенович, Альба Сентено, Амайя Пескера, Филипп Годиньон, Амая Зурутуза Элорса, Ф. Хиколасса Гарленса, Ф. HL Koppens (5 июля 2012 г.). «Оптическое наноизображение перестраиваемых затвором графеновых плазмонов». Природа. 487 (7405): 77–81. arXiv:1202.4996. Bibcode:2012Натура 487 ... 77C. Дои:10.1038 / природа11254. PMID  22722861.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  16. ^ З. Фей, А.С. Родин, Г.О. Андреев, В. Бао, А.С. Маклеод, М. Вагнер, Л.М. Чжан, З. Чжао, М. Тименс, Г. Домингес, М.М. Фоглер, А.Х. Кастро Нето, К.Н. Лау, Ф. Кейльманн, Д.Н. Басов (5 июля 2012 г.). «Настройка затвора графеновых плазмонов с помощью инфракрасного наноизображения». Природа. 487 (7405): 82–85. arXiv:1202.4993. Bibcode:2012Натура 487 ... 82F. Дои:10.1038 / природа11253. PMID  22722866.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  17. ^ Хуген Ян, Тони Лоу, Вэньцзюань Чжу, Янцин Ву, Маркус Фрейтаг, Сюэсон Ли, Франсиско Гвинея, Федон Авурис, Фенньян Ся (2013). «Демпфирующие пути плазмонов среднего инфракрасного диапазона в графеновых наноструктурах». Природа Фотоника. 7 (5): 394–399. arXiv:1209.1984. Bibcode:2013НаФо ... 7..394л. Дои:10.1038 / nphoton.2013.57.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  18. ^ Тони Лоу, Федон Авурис (2014). "Плазмоника графена для приложений терагерцового и среднего инфракрасного диапазонов". САУ Нано. 8 (2): 1086–1101. arXiv:1403.2799. Bibcode:2014arXiv1403.2799L. Дои:10.1021 / nn406627u. PMID  24484181.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  19. ^ Heip, H.M .; и другие. (2007). «Иммуносенсор на основе локализованного поверхностного плазмонного резонанса для обнаружения казеина в молоке». Наука и технология перспективных материалов. 8 (4): 331–338. Bibcode:2007STAdM ... 8..331M. Дои:10.1016 / j.stam.2006.12.010.
  20. ^ Левоцкий, Кристин (2007). «Обещание плазмоники». SPIE Professional. Дои:10.1117/2.4200707.07.
  21. ^ «Приз L'Oréal Art & Science of Color - обладатели седьмой премии».
  22. ^ «Профессор Чой представляет метод повышения эффективности излучения OLED». KAIST. 9 июля 2009 г. Архивировано с оригинал 18 июля 2011 г.
  23. ^ «Партнеры из ЕС рассматривают металлические наноструктуры для солнечных батарей». ElectroIQ. 30 марта 2010. Архивировано с оригинал 8 марта 2011 г.
  24. ^ Gwamuri et al. (2015). «Ограничения сверхтонких прозрачных проводящих оксидов для интеграции в тонкопленочные солнечные фотоэлектрические устройства с плазмонным усилением». Материалы для возобновляемой и устойчивой энергетики. 4 (12). Дои:10.1007 / s40243-015-0055-8.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  25. ^ Кавата, Сатоши. «Новая техника озаряет создание голограмм». Phys.org. Получено 24 сентября 2013.
  26. ^ Феррандо, Альберт (9 января 2017 г.). «Нелинейное плазмонное усиление за счет диссипативных солитонно-плазмонных резонансов». Физический обзор A. 95 (1): 013816. arXiv:1611.02180. Bibcode:2017PhRvA..95a3816F. Дои:10.1103 / PhysRevA.95.013816.
  27. ^ Фейгенбаум, Эял; Оренштейн, Меир (15 февраля 2007 г.). «Плазмон-солитон». Письма об оптике. 32 (6): 674–6. arXiv:физика / 0605144. Bibcode:2007OptL ... 32..674F. Дои:10.1364 / OL.32.000674. PMID  17308598.
  28. ^ Milián, C .; Ceballos-Herrera, D.E .; Скрябин, Д. В .; Феррандо, А. (5 октября 2012 г.). «Солитонно-плазмонные резонансы как нелинейные связанные состояния Максвелла» (PDF). Письма об оптике. 37 (20): 4221–3. Дои:10.1364 / OL.37.004221. PMID  23073417.
  29. ^ Блиох, Константин Ю .; Блиох, Юрий П .; Феррандо, Альберт (9 апреля 2009 г.). «Резонансное плазмонно-солитонное взаимодействие». Физический обзор A. 79 (4): 041803. arXiv:0806.2183. Bibcode:2009PhRvA..79d1803B. Дои:10.1103 / PhysRevA.79.041803.
  30. ^ Нестеров, Максим Л .; Браво-Абад, Хорхе; Никитин Алексей Юрьевич; Гарсия-Видаль, Франсиско Дж .; Мартин-Морено, Луис (март 2013 г.). «Графен поддерживает распространение субволновых оптических солитонов». Обзоры лазеров и фотоники. 7 (2): L7 – L11. arXiv:1209.6184. Bibcode:2013ЛПРв .... 7Л ... 7Н. Дои:10.1002 / lpor.201200079.
  31. ^ Блудов, Ю. V .; Смирнова, Д. А .; Кившарь, Ю. S .; Перес, Н. М. Р .; Василевский М.И. (21 января 2015 г.). «Дискретные солитоны в графеновых метаматериалах». Физический обзор B. 91 (4): 045424. arXiv:1410.4823. Bibcode:2015PhRvB..91d5424B. Дои:10.1103 / PhysRevB.91.045424.
  32. ^ Шариф, Мортеза А. (январь 2019 г.). «Пространственно-временная модуляционная неустойчивость поверхностных плазмон-поляритонов в графен-диэлектрической гетероструктуре». Physica E: низкоразмерные системы и наноструктуры. 105: 174–181. Bibcode:2019PhyE..105..174S. Дои:10.1016 / j.physe.2018.09.011.

Рекомендации

внешняя ссылка