Yüzey plazmonu

Yüzey plazmonları, yalıtkanlık sabitinin işaret değiştirdiği iki yüzey arasında uyarılabilen delokalize elektron salınımlarıdır; bunlara örnek olarak görünür ışıkta dielektrik ve metaller arası yüzeyler verilebilir. Plazmonlar plazma salınımlarının kuantasıdır; bu elektromanyetik dalgaların kuantizasyonunun fotonlar olmasıyla benzer durumdur. Yüzey plazmonları toplu plazmon salınımlarından daha az güce sahiptir; yüzey plazmonlarının aksine bu tip salınımlar Fermi gazlarında (ya da plazmalarda) boylamasına gerçekleşir.

Yüzey plazmonlarındaki elektron salınımları metalin içinde ve dışında elektron salınımları yaratır. Bu salınımların bütünü yüzey plazmon polaritonu ya da lokalize yüzey plazmonu olarak tanımlanmaktadır; yüzey plazmon polaritonu düzlemsel yüzeylerde oluşurken, lokalize yüzey plazmonu bir nanoparçacığın kapalı yüzeylerinde oluşmaktadır.

Yüzey plazmonları ilk kez 1957'de Rufus Ritchie tarafından teorize edilmiştir.^[1] Bundan sonraki senelerde yüzey plazmonları birçok fizikçi tarafından incelenmiştir: bunlar arasında T. Turbadar, Heinz Raether, E. Kretschmann ve A. Otto bulunmaktadır. Yüzey plazmonlarının veri aktarımı gibi kullanım alanlarının incelenmesi fotoniğin bir alt kolu olan plazmonik bilimine girer.^[2]

Yüzey plazmon polaritonu

Yüzey plazmon polaritonunun uyarımı

Yüzey plazmon polaritonları elektron veya fotonlarla uyarılabilir. Buna karşın fotonla uyarım elektromanyetik momentum korunumu nedeniyle doğrudan gerçekleştirilemez; bunun için prizma, ızgara (Bragg ızgarası) veya yüzey defektleri gerekmektedir.^[3]

Dispersiyon ilişkisi

Yüzey plazmon polaritonlarda dispersiyon. Düşük dalga vektörlerinde (k) yüzey plazmon çizgisi (kırmızı) foton çizgisine (mavi) yakınsar.

Yüzey plazmonlarının uyarımı dalgaların yüzeydeki dispersiyon ilişkisine bağlıdır. Dispersiyon ilişkisi frekans ile dalga vektörü arasındaki ilişkiyi ifade eder; kırılma indisinin frekansa bağlı olması ile de tanımlanabilir.^[4]

Düşük frekanslarda yüzey plazmon polaritonları Sommerfeld-Zenneck dalgaları ismi verilen yüzey dalgalarına yakınsar; bu frekanslarda dispersion ilişkisi lineer ve boşlukla aynıdır. Artan frekanslarda dispersiyon fonksiyonu bükülür ve plazma frekansında asimptotik sınırına ulaşır.^[4]

Basit bir düzlemsel metal-dielektrik yüzeyi için dispersiyon ilişkisi şu şekilde ifade edilmektedir:

k_{x}={\frac {\omega }{c}}\left({\frac {\varepsilon _{1}\varepsilon _{2}}{\varepsilon _{1}+\varepsilon _{2}}}\right)^{1/2}

Bu formülde $k_{x}$ yüzeydeki dalga vektörünü, $\varepsilon _{1}$ ile $\varepsilon _{2}$ ise yüzeydeki malzemelerin yalıtkanlık sabitidir. $k_{x}={\frac {\omega }{c}}$ , açısal frekans ile ışık hızının oranı, boşluktaki dalga vektör sayısını ifade eder. Bu yüzeyde bir yüzey plazmon polaritonunun Maxwell denklemleri'ni sağlaması için bu formüle uyması gerekir.^[4]

Dispersiyon grafiği için metallerin yalıtkanlık sabitinin yaklaşık olarak hesaplanmasında Drude ya da serbest elektron modeli kullanılabilir.

Yayılım uzaklığı ve deri derinliği

Yüzey plazmon polaritonları yüzey boyunca yayıldıkça metalin görünür ışıkta kayıplı olması nedeniyle soğurulur. Aynı zamanda bu dalgalar saçılma ile de enerji kaybedebilir. Elektrik alan metal yüzeyine dik olarak uzaklaştıkça üstel bir biçimde azalır; bu tip dalgalara evanesan dalgalar (evanescent waves) adı verilir. Düşük frekanslarda bu dalgaların metalde erişebileceği derinlikler (deri derinliği) yüzey katmanı etkisi formülünü kullanarak yaklaşık olarak hesaplanabilir. Yüzeyin dielektrik kısmında elektrik alan metale göre daha yavaş bir biçimde azalır. Yüzey plazmon polaritonların deri derinliğine olan hassasiyeti yüzeylerdeki bozunmaları tespit etmek için kullanılmalarına önayak olmuştur.

Deneysel uygulamalar

Yüzey plazmon rezonansı tekniği ile bir biyosensör uygulaması. Bu uygulamada Kretschmann-Raether konfigürasyonu kullanılmaktadır.

Yüzey plazmon polaritonlarının uyarımı yüzey plazmon rezonansı (surface plasmon resonance) tekniğinde kullanılmatadır. Yüzey plazmon rezonansında maksimum uyarım (rezonans) bir prizmadan ışığın gönderim açısına ya da dalga boyuna göre yansıyan güç incelenerek bulunur. Bu teknik yüzey kalınlığında nanometre boyundaki farklılıkları, yoğunluk farklarını ya da moleküler soğurmaları tespit etmekte kullanılmaktadır. Son dönemlerdeki çalışmalar bu tekniği çok katmanlı yüzeylere uyarlamaktadır.^[5]^[6]

Plazmonik yapıların ışığı kırınım sınırından daha küçük dalga boylarına hapsedebilmesi bu etkinin "dalgaboyu-altı optik" (subwavelength optics), plazmonik güneş pili ve süper lens gibi uygulamalar için araştırılmasını sağlamıştır.^[7]

Yüzey plazmon devreleri yüksek performans fotonik devrelerdeki boyut sorunu çözmek için öne sürülmüştür.^[8]

Nano-malzemelerin plazmonik özellik ve yatkınlıklarının dinamik olarak kontrol edilebilmesi plazmonik teknolojinin ilerlemesi için önemli bir adım olarak görülmektedir. Toplu plazmon rezonansı kullanarak yüzey plazmon resonansının bastırılabileceği gösterilmiştir.^[9] Bu yöntemin fotonik devrelerde önemli bir yere sahip olacak CMOS-uyumlu plazmonik elektrooptik modülatörlerin gelişimde önemli bir yere sahip olacağı öne sürülmektedir.^[10]

Yüzeyce güçlendirilmiş Raman saçılması ve yüzey-etkili floresans gibi bazı yüzey etkileşimleri soy metallerdeki yüzey plazmonlara bağlıdır; bunlar kullanılarak sensörler geliştirilmiştir.^[11] Yüzey ikinci harmonik iletimi gibi doğrusal olmayan optik etkileşimlerde yüzey plazmon rezonansı daha kuvvetli olmaktadır.^[12] Ayrıca plazmonik soğurma özelliklerinin moleküler sensörlerin gelişimde rolü olmuştur.^[13]

Ayrıca bakınız

Kaynakça

^ Ritchie, R. H. (Haziran 1957). "Plasma Losses by Fast Electrons in Thin Films". Physical Review. 106 (5). ss. 874-881. Bibcode:1957PhRv..106..874R. doi:10.1103/PhysRev.106.874.
^ Polman, Albert; Harry A. Atwater (2005). "Plasmonics: optics at the nanoscale" (PDF). Materials Today. Cilt 8. s. 56. doi:10.1016/S1369-7021(04)00685-6. 7 Haziran 2010 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 26 Ocak 2011.
^ Maier, Stefan A. (2007). Plasmonics: Fundamentals and Applications. New York: Springer Publishing. ISBN 978-0-387-33150-8.
^ ^a ^b ^c Raether, Heinz (1988). Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings. Springer Tracts in Modern Physics 111. New York: Springer-Verlag. ISBN 978-3540173632.
^ Taverne, S.; Caron, B.; Gétin, S.; Lartigue, O.; Lopez, C.; Meunier-Della-Gatta, S.; Gorge, V.; Reymermier, M.; Racine, B.; Maindron, T.; Quesnel, E. (12 Ocak 2018). "Multispectral surface plasmon resonance approach for ultra-thin silver layer characterization: Application to top-emitting OLED cathode". Journal of Applied Physics. 123 (2). s. 023108. Bibcode:2018JAP...123b3108T. doi:10.1063/1.5003869. ISSN 0021-8979.
^ Salvi, Jérôme; Barchiesi, Dominique (1 Nisan 2014). "Measurement of thicknesses and optical properties of thin films from Surface Plasmon Resonance (SPR)". Applied Physics A (İngilizce). 115 (1). ss. 245-255. Bibcode:2014ApPhA.115..245S. doi:10.1007/s00339-013-8038-z. ISSN 1432-0630.
^ Barnes, William L.; Dereux, Alain; Ebbesen, Thomas W. (2003). "Surface plasmon subwavelength optics". Nature. 424 (6950). ss. 824-30. Bibcode:2003Natur.424..824B. doi:10.1038/nature01937. PMID 12917696.
^ Ozbay, E. (2006). "Plasmonics: Merging Photonics and Electronics at Nanoscale Dimensions". Science. 311 (5758). ss. 189-93. Bibcode:2006Sci...311..189O. doi:10.1126/science.1114849. hdl:11693/38263. PMID 16410515.
^ Akimov, Yu A; Chu, H S (2012). "Plasmon–plasmon interaction: Controlling light at nanoscale". Nanotechnology. 23 (44). s. 444004. doi:10.1088/0957-4484/23/44/444004. PMID 23080049.
^ Wenshan Cai; Justin S. White; Mark L. Brongersma (2009). "Compact, High-Speed and Power-Efficient Electrooptic Plasmonic Modulators". Nano Letters. 9 (12). ss. 4403-11. Bibcode:2009NanoL...9.4403C. doi:10.1021/nl902701b. PMID 19827771.
^ Xu, Zhida; Chen, Yi; Gartia, Manas; Jiang, Jing; Liu, Logan (2011). "Surface plasmon enhanced broadband spectrophotometry on black silver substrates". Applied Physics Letters. 98 (24). s. 241904. arXiv:1402.1730 $2. Bibcode:2011ApPhL..98x1904X. doi:10.1063/1.3599551.
^ V. K. Valev (2012). "Characterization of Nanostructured Plasmonic Surfaces with Second Harmonic Generation". Langmuir. 28 (44). ss. 15454-15471. doi:10.1021/la302485c. PMID 22889193.
^ Minh Hiep, Ha; Endo, Tatsuro; Kerman, Kagan; Chikae, Miyuki; Kim, Do-Kyun; Yamamura, Shohei; Takamura, Yuzuru; Tamiya, Eiichi (2007). "A localized surface plasmon resonance based immunosensor for the detection of casein in milk". Science and Technology of Advanced Materials. 8 (4). s. 331. Bibcode:2007STAdM...8..331M. doi:10.1016/j.stam.2006.12.010.

[1] Ritchie, R. H. (Haziran 1957). "Plasma Losses by Fast Electrons in Thin Films". Physical Review. 106 (5). ss. 874-881. Bibcode:1957PhRv..106..874R. doi:10.1103/PhysRev.106.874.

[2] Polman, Albert; Harry A. Atwater (2005). "Plasmonics: optics at the nanoscale" (PDF). Materials Today. Cilt 8. s. 56. doi:10.1016/S1369-7021(04)00685-6. 7 Haziran 2010 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 26 Ocak 2011.

[maier-plasmonics-book-3] Maier, Stefan A. (2007). Plasmonics: Fundamentals and Applications. New York: Springer Publishing. ISBN 978-0-387-33150-8.

[Raether-4] Raether, Heinz (1988). Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings. Springer Tracts in Modern Physics 111. New York: Springer-Verlag. ISBN 978-3540173632.

[5] Taverne, S.; Caron, B.; Gétin, S.; Lartigue, O.; Lopez, C.; Meunier-Della-Gatta, S.; Gorge, V.; Reymermier, M.; Racine, B.; Maindron, T.; Quesnel, E. (12 Ocak 2018). "Multispectral surface plasmon resonance approach for ultra-thin silver layer characterization: Application to top-emitting OLED cathode". Journal of Applied Physics. 123 (2). s. 023108. Bibcode:2018JAP...123b3108T. doi:10.1063/1.5003869. ISSN 0021-8979.

[6] Salvi, Jérôme; Barchiesi, Dominique (1 Nisan 2014). "Measurement of thicknesses and optical properties of thin films from Surface Plasmon Resonance (SPR)". Applied Physics A (İngilizce). 115 (1). ss. 245-255. Bibcode:2014ApPhA.115..245S. doi:10.1007/s00339-013-8038-z. ISSN 1432-0630.

[7] Barnes, William L.; Dereux, Alain; Ebbesen, Thomas W. (2003). "Surface plasmon subwavelength optics". Nature. 424 (6950). ss. 824-30. Bibcode:2003Natur.424..824B. doi:10.1038/nature01937. PMID 12917696.

[8] Ozbay, E. (2006). "Plasmonics: Merging Photonics and Electronics at Nanoscale Dimensions". Science. 311 (5758). ss. 189-93. Bibcode:2006Sci...311..189O. doi:10.1126/science.1114849. hdl:11693/38263. PMID 16410515.

[9] Akimov, Yu A; Chu, H S (2012). "Plasmon–plasmon interaction: Controlling light at nanoscale". Nanotechnology. 23 (44). s. 444004. doi:10.1088/0957-4484/23/44/444004. PMID 23080049.

[10] Wenshan Cai; Justin S. White; Mark L. Brongersma (2009). "Compact, High-Speed and Power-Efficient Electrooptic Plasmonic Modulators". Nano Letters. 9 (12). ss. 4403-11. Bibcode:2009NanoL...9.4403C. doi:10.1021/nl902701b. PMID 19827771.

[APL2011-11] Xu, Zhida; Chen, Yi; Gartia, Manas; Jiang, Jing; Liu, Logan (2011). "Surface plasmon enhanced broadband spectrophotometry on black silver substrates". Applied Physics Letters. 98 (24). s. 241904. arXiv:1402.1730 $2. Bibcode:2011ApPhL..98x1904X. doi:10.1063/1.3599551.

[12] V. K. Valev (2012). "Characterization of Nanostructured Plasmonic Surfaces with Second Harmonic Generation". Langmuir. 28 (44). ss. 15454-15471. doi:10.1021/la302485c. PMID 22889193.

[13] Minh Hiep, Ha; Endo, Tatsuro; Kerman, Kagan; Chikae, Miyuki; Kim, Do-Kyun; Yamamura, Shohei; Takamura, Yuzuru; Tamiya, Eiichi (2007). "A localized surface plasmon resonance based immunosensor for the detection of casein in milk". Science and Technology of Advanced Materials. 8 (4). s. 331. Bibcode:2007STAdM...8..331M. doi:10.1016/j.stam.2006.12.010.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]