برهمکنش پلاسمون مولکول در نانوذره و نانومیله های فلزی...

 

چکیده

نانوبلور­های فلزات نوبل به خوبی خصوصیات پلاسمون­های سطحی جایگزیده را نشان می­دهند. پلاسمون­های سطحی نوسان جمعی الکترون­ها در فلزات می­باشند. هدف از این پایان نامه، بررسی برهم کنش پلاسمون­های ناشی از نانوبلور­های کروی، مکعبی و میله­ای شکل با مولکول­های بدون جذب و مقایسه آن با نتایج تجربی می­باشد. از این خصوصیت می­توان برای ساخت حسگر­های ضریب شکست در ابعادنانو استفاده کرد. برانگیخته شدن پلاسمون­های سطحی جایگزیده، خود را به عنوان یک افزایش قابل توجه در طیف خاموشی نانوبلور، در طول موج تشدید پلاسمونی نشان می­دهد. بنابراین برای بررسی برهم کنش پلاسمون-مولکول، نیازمند بررسی عوامل موثر بر طول موج تشدید پلاسمونی، از طریق طیف خاموشی آن می­باشیم. این کار برای سه نوع نانوبلور معرفی شده انجام و نتایج با نتایج تجربی در دسترس مقایسه شده­اند. علاوه بر این، این کار برای نانوبلور­ها با لایه­ای بر روی آن، به منظور بررسی تاثیر یک لایه پلیمری یا پروتئینی بر سطح نانوبلور انجام شده است. نتایج به دست آمده نشان می­دهند که طول موج تشدید پلاسمونی به شکل، ساختار و ابعاد نانوبلور و همچنین ضریب شکست محیط اطراف وابسته می­باشد. برای نانوبلور پوشیده شده نیز ضخامت و ضریب شکست لایه بر روی آن عوامل موثر بر طول موج تشدید پلاسمونی می­باشند

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصلاول:.. 1

1-1- معرفیکلی:.. 2

1-1-1- انواعپلاسمونها:.. 4

1-2- تاریخچه:.. 6

1-3- کاربردهایپلاسمونیک.. 9

فصلدوم:.. 12

2-1- خواصنوریفلزات.. 13

2-1-1 معادلاتماکسولوانتشارامواجالکترومغناطیسی:.. 13

2-1-2- مدلدرود-سامرفلد:.. 16

2-1-3- انتقالبیننواری:.. 18

2-2- پلاسمونهایانتشاری:.. 20

2-2-1-موجمحوشونده:.. 20

2-2-2- پلاریتون-پلاسمونسطحی.. 22

2-3- برانگیختگیپلاریتون-پلاسمونهایسطحی:.. 26

2-3-1- جفتشدگیبااستفادهازمنشور:.. 26

2-3-2- جفتشدگیبهوسیلهتوری:.. 28

2-3-3- برانگیختگیمیداننزدیک:.. 30

2-4- نانوپلاسمونیک.. 31

2-5- حسگرزیستی:.. 32

2-5-1- ساختحسگرزیستیبااستفادهازپلاسمونسطحیجایگزیده.. 37

2-5-2- حسگرآنسامبلی.. 38

2-5-3- حسگرتکنانوبلور.. 38

فصلسوم:.. 41

3-1- انواعمولکول:.. 42

3-2- تشدیدپلاسمونیوابستهبهضریبشکست:.. 44

3-3- جفتشدگیتشدید:.. 45

3-3- افزایشسطحیپراکندگیرامان(SERS):.. 48

3-3-1- پراکندگیرامان:.. 48

3-3-2- افزایشسطحی:.. 50

3-4- افزایشپلاسمونیفلورسانس:.. 51

فصلچهارم:.. 55

4-1- تصحیحمدلدرودبرایابعادنانو.. 56

4-2- پراکندگی،جذبوخاموشی.. 59

4-2-1- تقریبدوقطبی:.. 61

4-2-2- تئوریسطحمقطعنوریبرایپراکندگیامواجالکترومغناطیسی: 62

4-3- تقریبدوقطبیبرایسهشکلنانوبلور.. 65

4-3-1- پذیرفتاریالکتریکییکذره.. 65

4-3-2- خواصکلی.. 68

4-3-3- تانسورقطبشپذیری.. 71

4-3-4- محاسبهسطحمقطعخاموشیدرتقریبدوقطبی:.. 72

4-3-5- ثابتدیالکتریکمتوسط.. 73

4-3-6- تقریبدوقطبیبرایکره:.. 74

4-3-7- تقریبدوقطبیبراینانومیله:.. 75

4-3-8- تقریبدوقطبیبرایمکعب:.. 76

4-4- تئوریمی:.. 77

4-4-1-بسطموجتختدرهارمونیکهایکرویبرداری:.. 82

4-4-2- میدانهایداخلیوپراکندهشده:.. 85

4-4-3- توابعوابستهزاویهای:.. 87

4-4-4- ضرایبپراکندگی:.. 88

4-4-5- محاسبهسطحمقطع:.. 90

4-4-6- تئوریمیبرایکرهپوشیدهشده:.. 91

4-5- اصلهویگنس:.. 92

4-6- محاسبهسطحمقطعخاموشیبرایاستوانهمحدود.. 98

4-6-1- امواجاستوانهای:.. 98

4-6-2- بسطموجتختدرهارمونیکهایاستوانهایبرداری:.. 100

4-6-3- پراکندگیازاستوانهمحدودبااستفادهازتقریباستوانهنامحدود 102

4-6-5- محاسبهسطحمقطعخاموشی:.. 105

فصلپنجم:.. 113

5-1: تاثیرساختارنانوبلوربرطولموجتشدیدپلاسمونی.. 114

5-1-1- نانوکره:.. 115

5-1-2: نانومکعب.. 117

5-1-3- نانومیله.. 118

5-2- تاثیرابعادنانوکریستالبرطولموجتشدیدپلاسمونی.. 120

5-2-1- نانوکره.. 120

5-2-2- نانومکعب:.. 123

5-2-3- نانومیله.. 124

5-3- تاثیرضریبشکستبرطولموجتشدیدپلاسمونی: حساسیتضریبشکست.. 126

5-3-1- نانوکره.. 127

5-3-2- نانومکعب.. 129

5-3-3- نانومیله.. 130

5-4- تاثیرلایهپوشانندهبرطولموجتشدیدپلاسمونی.. 133

5-4-1- تاثیرضخامتلایهپوشانندهبرطولموجتشدیدپلاسمونی.. 134

5-4-2- تاثیرضریبشکستلایهپوشانندهبرطیفخاموشی... 137

5-5- نتایجوپیشنهادات.. 139

5-5-1- نتایج.. 139

5-5-2- پیشنهادات.. 141

فهرستمنابع.. 142

پیوستI:.. 150

ABSTRACT. 155

فهرست جدول­ها

عنوان و شماره صفحه

جدول 4- 1:مقادیرnوcبرایمکعب.. 77

جدول 5- 1: پارامترهایمدلدرود-سامرفلدبرایفلزاتطلاونقره.. 114

جدول 5- 2: مقادیرطولموجتشدیدپلاسمونیبرایدوروشمورداستفادهبرایکرهباقطر 15 نانومتر.. 116

جدول 5- 3: مقادیرطولموجتشدیدپلاسمونیشکل 5-2.. 117

جدول 5- 4: مقادیرطولموجتشدیدپلاسمونیبرایشکل 5-3.. 118

جدول 5- 5: مقادیرطولموجتشدیدپلاسمونیبرایدوروشمورداستفادهبرایکرهباقطر 15 نانومتر.. 119

جدول 5- 6: مقادیربهدستآمدهبرایشعاعبهینهدرشکلهای (5-7) و (5-8) 123

جدول 5- 7: مقادیرطولموجتشدیدپلاسمونیبراینانومیلهبانسبتطولبهعرضمتفاوتومقایسهبانتایجتجربی.. 126

جدول 5- 8: مقادیرمحاسبهشدهبرایحساسیتضریبشکستبراینانوکرهباقطر 15 نانومتر.. 128

جدول 5- 9: مقادیرمحاسبهشدهبرایحساسیتضریبشکستبراینانومکعبباطول 44 نانومتر.. 130

جدول 5- 10: مقادیرمحاسبهشدهبرایحساسیتضریبشکستبراینانومیله 133

جدول 5- 11: مقادیرطولموجتشدیدپلاسمونیبرایکرهومیلهپوشاندهشده 138

فهرست شکل­ها

عنوان صفحه

شکل1‑1: نمودارتعدادمقالاتحاویواژهپلاسمونسطحیدرهرسال.. 7

شکل 2- 1: نمودارقسمتحقیقی (بالا) وموهومی (پایین) تابعدیالکتریکفلزطلا 19

شکل 2- 2: سطحمشترکدومحیطباضریبشکستمتفاوت.. 23

شکل 2- 3:نمودارمعادلهپاشندگیپلاریتون-پلاسمونسطحیبرایدیالکتریکهواوشیشه 25

شکل 2- 4: نمودارپاشندگیپلاریتون-پلاسمونسطحیبراینشاندادنچگونگیبرانگیختگیآنهابااستفادهازمنشور 27

شکل 2- 5: استفادهازمنشوربرایبرانگیختگیپلاریتون-پلاسمونسطحی. 28

شکل 2- 6: استفادهازتوریبرایبرانگیختگیپلاریتون-پلاسمونسطحی.. 29

شکل 2- 7: نمایششماتیکروشبرانگیختگیمیداننزدیک.. 30

شکل 2- 8: نمایششماتیکتولیدپلاسمونسطحیجایگزیده.. 31

شکل 2- 9: راست: عملکردحسگربااستفادهازمدولاسیونطولموج. چپ: عملکردحسگربااستفادهازمدولاسیونزاویهای.. 34

شکل 2- 10: اصولساختحسگربرپایهپلاریتون-پلاسمونسطحی... 36

شکل 2- 11: تغییراتطولموجتشدیدپلاسمونینسبتبهضخامتلایهپروتئینی 37

شکل 2- 12: نتایجبهدستآمدهبرایحسگرتکنانوبلور.. 39

شکل 3- 1: نمودارشماتیکضریبشکستسهنوعمولکولمعرفیشده.. 43

شکل 3- 2:طیفخاموشیبرایششنانومیلهبانسبتطولبهعرضمتفاوتوتاثیرمولکولهاینوعدوم 46

شکل 3- 3: نمودارجابجایپلاسمونیبرحسبفاصلهمولکولازسطحنانوبلور 47

شکل 3- 4: a)شکلشماتیکپراکندگیرامان. b)تابشاستوکس. c)تابشآنتیاستوکس 49

شکل 3- 5:A) نانوآنتنطلایبوتیدرقالبپلاسمابهصورتشماتیک. B) افزایششدتمیدانالکتریکیاطرافنانوآنتن. C) افزایششدتفلورسانسبرحسباندازهگافبوتی.. 52

شکل 4- 1: شکلشماتیکبرخوردموجالکترومغناطیسیبههدفومیدانپراکندهشدهدرسطحکرهفرضیبهشعاعr. 63

شکل 4- 2:نمایششماتیکتعریفتابعدیالکتریکبرایذرهولایهرویآن.. 73

شکل 4- 3:شکلشماتیکنانومیله.. 75

شکل 4- 4: نمودارمقادیرnوcبرایمکعب [84].. 77

جدول 4- 1:مقادیرnوcبرایمکعب.. 77

شکل 4- 5: پراکندگیالکترومغناطیسیبوسیلهمنبعJدرداخلحجمفرضی.. 93

شکل 5- 1: منحنیطیفخاموشینانوکرهباقطر 15 نانومتر.. 115

شکل 5- 2: منحنیطیفخاموشینانوکرهباترکیباتمتفاوتنقره... 116

شکل 5- 3: منحنیطیفخاموشینانومکعبباترکیباتمتفاوتنقره.. 118

شکل 5- 4: طیفخاموشینانومیلهبانسبتطولبهعرض4/2 برایفلزاتطلاونقره 119

شکل 5- 5: طیفخاموشینانوکرهباشعاع¬هایمتفاوتبرایفلزاتطلاونقرهبااستفادهازروشدوقطبی 121

شکل 5- 6: طیفخاموشینانوکرهباشعاع¬هایمتفاوتبرایفلزاتطلاونقرهبااستفادهازتئوریمی 121

شکل 5- 7: منحنیمقدارببیشینهطیفخاموشینسبتبهشعاعنانوکرهبااستفادهازتئوریمی 122

شکل 5- 8: منحنیمقداربیشینهطیفخاموشینسبتبهشعاعنانوکرهباترکیباتمتفاوتطلاونقره 122

شکل 5- 9: طیفخاموشینانومکعبباابعادمتفاوتبرایفلزاتطلاونقره.. 124

شکل 5- 10: طیفخاموشینانومیلهبانسبتهایطولبهعرضمتفاوتبااستفادهازتقریبدوقطبی 125

شکل 5- 11: طیفخاموشینانومیلهبانسبت¬هایطولبهعرضمتفاوتبااستفادهازاصلهویگنس 125

شکل 5- 12: طیفخاموشینانوکرهبرایدوضریبشکستمتفاوتبرایمحیط.. 127

شکل 5- 13: منحنیجابجاییپلاسمونینسبتبهتغییراتضریبشکستمحیطاطرافبرایمحاسبه 128

شکل 5- 14: طیفخاموشینانومکعببرایدوضریبشکستمتفاوتبرایمحیط.. 129

شکل 5- 15: منحنیجابجاییپلاسمونینسبتبهتغییراتضریبشکستمحیطاطرافبرایمحاسبهحساسیتضریبشکستبراینانومکعب.. 130

شکل 5- 16: طیفخاموشینانومیلهبرایدوضریبشکستمتفاوتمحیطبااستفادهازتقریبدوقطبی 131

شکل 5- 17: طیفخاموشینانومیلهبرایدوضریبشکستمتفاوتمحیطبااستفادهازاصلهویگنس 131

شکل 5- 18: منحنیجابجاییپلاسمونینسبتبهتغییراتضریبشکستمحیطاطرافبرایمحاسبهحساسیتضریبشکستبراینانومیلهبااستفادهازتقریبدوقطبی.. 132

شکل 5- 19:منحنیجابجاییپلاسمونینسبتبهتغییراتضریبشکستمحیطاطرافبرایمحاسبهحساسیتضریبشکستبراینانومیلهبااستفادهازاصلهویگنس.. 132

شکل 5- 20: طیفخاموشینانوکرهپوشاندهشدهباضخامتهایمتفاوتازلایه 134

شکل 5- 21: منحنیجابجاییپلاسمونیبرحسبتغییراتنسبتضخامتلایهبهشعاعنانوکرهباشعاع 40 نانومتر.. 135

شکل 5- 22: منحنیجابجاییپلاسمونیبرحسبتغییراتنسبتضخامتلایهبهشعاعنانوکرهباشعاعهایمختلفنانوکره.. 136

شکل 5- 23: طیفخاموشینانومکعبپوشاندهشدهباضخامت¬هایمتفاوتازلایه 137

شکل 5- 24: طیفخاموشینانوکرهپوشاندهشدهباضریبشکست¬هایمتفاوت 138

شکل 5- 25: طیفخاموشینانومیلهپوشاندهشدهباضریبشکست¬هایمتفاوت 138

فصل اول:

مقدمه

معرفی کلی:

پلاسمونیک[1] بخش عمده­ای از رشته جذاب نانو­فوتونیک است که به بررسی رفتار امواج در سطح جدایی محیط­ها­یی با تفاوت ضریب شکست بزرگ می­پردازد. این بر پایه فرآیند­های بر­همکنشی که بین تابش الکترو­مغناطیسی و الکترون­های رسانش در سطوح فلزی یا در نانو ساختار­های کوچک فلزی که سبب افزایش میدان نزدیک نوری[2] در ابعاد محدود طول موج می­شود،استوار شده است.

تحقیق در این ناحیه چگونگی اتفاق افتادن رفتار غیر منتظره را در صورتی که یک نا­پیوستگی یا یک ساختار کوچکتر از طول موج در محیط وجود داشته باشد را نشان می­دهد. زیبا­یی دیگر این رشته و زمینه، توضیح و بیان آن با فیزیک کلاسیک می­باشد به طوری که یک دانش کلی در زمینه الکترو­مغناطیس برای فهم جنبه­های اصلی پلاسمونیک کافی می­باشد.

پلاسما محیطی شامل دو نوع بار مثبت و منفی است که در آن تراکم بارهای مثبت و منفی برابر است و حداقل یک نوع از بارها متحرک هستند. مثلاً یک محیط فلزی را می­توان یک محیط پلاسما در نظرگرفت. در یک فلز الکترون­های رسانش که همان الکترون­های والانس اتم­ها هستند آزادانه در میان مغزی یونی مثبت در حرکتند و همچنین تراکم بارهای مثبت (مغزی یونی) و بارهای منفی (الکترون­های رسانش) در فلز برابر است، زیرا از لحاظ ماکروسکوپی، یک فلز خنثی است. بنابراین می­توان یک محیط فلزی را، یک محیط پلاسما در نظر گرفت.

یکجابه­جایی جمعی الکترون­های رسانش، نسبت به هسته­های یونی مثبت و ساکن، باعث جذب این الکترون­های جابه­جا شده توسط مغزی یونی مثبت باقی مانده در شبکۀ فلز می­شود و در نتیجه، یک نیروی بازگرداننده به این الکترون­ها وارد می­شود. این نیروی بازگردانندۀ وارد شده به الکترون­های جابه­جا شده، باعث نوسان جمعی این الکترون­ها حول مکانی می­شود که این الکترون­ها را، از آن مکان جابه­جا کرده­ایم. این نوسان جمعی الکترون­های رسانش محیط­های فلزی را، نوسان پلاسما می­نامند. کوانتم انرژی نوسان پلاسما، پلاسمون[3] نامیده می­شود. ما چنین پلاسمون­هایی را که در حجم فلز تشکیل می­شوند، پلاسمون­های حجمی می­نامیم تا بتوانیم آن­ها را از پلاسمون­های سطحی منتشر شونده و پلاسمون­های سطحی جایگزیده تمیز دهیم. امواج مربوط به پلاسمون­های حجمی، امواجی طولی هستند و به علت ماهیت طولی­شان، پلاسمون­های حجمی نمی­توانند با امواج الکترومغناطیسی عرضی جفت شوند. به همین دلیل نمی­توان پلاسمون­های حجمی را با استفاده از امواج الکترومغناطیسی برانگیخته کرد. پلاسمون­های حجمی را معمولاً با برخورد ذرات به فلز برانگیخته می­کنند. نوسان پلاسما در یک فلز در فرکانس معینی به نام فرکانس پلاسمای فلز رخ می­دهد. فرکانس پلاسمای اکثر فلزات، در محدودۀ فرابنفش است [1].

1-1-1- انواع پلاسمون­ها:

بعد از این آشنایی مختصر با محیط­های پلاسما و پلاسمون­ها، به معرفی برانگیختگی­های پلاسمونیکی می­پردازیم. برانگیختگی­های پلاسمونیکی را می­توان به دو نوع متفاوت تقسیم کرد که عبارتند از: (1)- پلاریتون-پلاسمون­های سطحی[4] یا SPPها و (2)- پلاسمون­های سطحی جایگزیده[5] که به پلاسمون­های ذره­ای نیز معروفند .(LSP)

1) پلاریتون پلاسمون­های سطحی یا SPPها، امواج سطحی منتشر شونده در فصل مشترک یک فلز و یک دی­الکتریک هستند که از جفت شدگی امواج الکترومغناطیسی با نوسان­های پلاسمای الکترون­های سطح فلز ایجاد می­شوند. تابش الکترومغناطیسی فرودی به سطح فلز باعث نوسان جمعی الکترون­های سطحی فلز می­شود و این الکترون­های نوسان کننده در سطح فلز شروع به تابش امواج الکترومغناطیسی می­کنند. وقتی تابش حاصل از آن­ها به الکترون­های مجاور در سطح فلز می­رسد، باعث نوسان جمعی الکترون­های مجاورشان می­شود و بدین صورت یک موج حاصل از نوسان جمعی الکترون­های رسانش، در فصل مشترک فلز و دی­الکتریک منتشر می­شود. این نوسان­ها به ناحیۀ بسیار نازکی، نزدیک به فصل مشترک فلز محدود می­شوند و عمق نفوذ آن­ها در فلز بسیار کم است. در واقع SPPها، از جفت شدگی امواج الکترومغناطیسی (فوتون­ها) با پلاسمون­ها ایجاد می­شوند و به همین دلیل کوانتوم انرژی چنین امواجی پلاریتون نامیده می­شود. مفهوم دیگری که در مبحث پلاریتون پلاسمون­های سطحی، زیاد با آن مواجه می­شویم، مفهوم مدهای الکتریکی عرضی[6] یا TE و مدهای مغناطیسی عرضی[7] یا TM است. صفحۀ را بر فصل مشترک فلز و دی­الکتریک منطبق در نظر می­گیریم و محور را در جهت انتشار امواج پلاسمونی منتشر شونده روی سطح فلز انتخاب می­کنیم، در این صورت در مد TM فقط مولفه­های میدان­ها غیر صفرند و در مد TE فقط مولفه­های میدان­ها مخالف صفرند. می­توانیم نشان بدهیم که SPP­ها، فقط برای مدهای TM وجود دارند [2].

2) دومین نوع مهم برانگیختگی­های پلاسمونیکی، پلاسمون­های سطحی جایگزیده هستند. که در بعضی از نوشته­ها، پلاسمون­های ذره­ای نیز نامیده می­شوند. پلاسمون­های سطحی جایگزیده، نوسان­های جمعی الکترون­های رسانش ذرات بسیار ریز فلزی هستند که در اثر جفت­شدگی با میدان الکترومغناطیسی فرودی به ذره ایجاد می­شوند. برخلاف SPPها­، که در سطح فلز منتشر می­شوند، نوسان­های پلاسمون­های سطحی جایگزیده یا LSPها، برانگیختگی­هایی منتشر شونده نیستند. چگونگی تشکیل پلاسمون­های سطحی جایگزیده، را بدین صورت توضیح می­دهیم:

از آنجا که ابعاد نانوذرات فلزی از مرتبۀ عمق نفوذ امواج الکترومغناطیسی در فلز است، نور فرودی به ذره می­تواند درون ذره نفوذ کند. میدان موج نفوذ کرده به درون ذره باعث جابه­جایی جمعی الکترون­های رسانش فلز تشکیل دهندۀ ذره نسبت به مغزی یونی مثبت شبکۀ فلزی می­شود، این جابه­جایی بارهای مثبت و منفی، یک نیروی بازگرداننده به الکترون­های جابه­جا شده اعمال می­کند و این نیروی بازگرداننده باعث نوسان جمعی این الکترون­ها حول مکان اولیۀ آن­ها می­شود. چنین نوسان­های جمعی الکترون­های رسانش نانوذرات فلزی، پلاسمون­های سطحی جایگزیده LSP))، نامیده می­شود. یک نتیجۀ جالب دیگر وجود نیروی بازگرداننده، روی الکترون­های جا­به­جا شده، این است که الکترون­های رسانش یک نانوذره فلزی، مانند یک سیستم نوسانی عمل می­کنند و می­توانند توسط میدان فرودی به تشدید درآیند. این تشدید حرکت جمعی الکترون­های رسانش یک نانوذرۀ فلزی، توسط امواج الکترومغناطیسی فرودی، تشدید پلاسمونی ذره نامیده می­شود. بنابراین به ازای فرکانس­های خاص نور فرودی، می­تواند تشدید رخ دهد و حتی یک میدان محرک کوچک، باعث نوسان شدید الکترون­های رسانش ذره شود. این نوسان تشدید شدۀ الکترون­های ذره، باعث تقویت میدان اطراف ذره و درون ذره می­شود. فرکانس تشدید پلاسمونی ذره، به اندازۀ ذره، شکل ذره، مادۀ تشکیل دهندۀ ذره و محیط اطراف ذره بستگی دارد. برای نانوذرات فلزات نجیب مانند طلا و نقره تشدید پلاسمونی می­تواند درناحیۀ طیف مرئی رخ دهد و رنگ­های درخشان ذرات بسیار ریز طلا و نقره نیز به دلیل تشدید پلاسمونی ذرات آن­ها در طیف مرئی است [3].

1-2- تاریخچه

بعد از سال 1950، تحقیقات بر روی پلاسمون­های سطحی به طور مداوم افزایش قابل توجهی یافته و پیشرفت­های زیادی در این مسیر صورت گرفته است. نقطه تحول این کار، انتشار مقالاتی بوسیله ریچی[8][4]، کرشمن[9][5] و اتو[10][6] بود که در اواخر دهه 60 و اوایل دهه 70 قرن بیستم میلادی بود. این مقالات علاقه بسیاری از دانشمندان در رشته­های مختلف را به پلاسمون­های سطحی جلب کرد. پیشرفت دیگری از پلاسمونیک در سال 1990 شروع شد. علت این امر پیشرفت تکنولوژی ساخت سیستم­ها در ابعاد نانو بود که امکان کنترل و تنظیم پلاریتون-پلاسمون­های سطحی را ممکن می­ساخت. این امر باعث پیدایش زمینه­های مختلف از جمله ساخت موجبر در ابعاد نانو و ساخت حسگر برای رویت و شناسایی تک مولکول شد. شکل (1-1) این افزایش توجه را به خوبی نشان می­دهد. تعداد مقالاتی که در هر سال در عنوان خود با داشتن واژه پلاسمون سطحی به چاپ رسیده­اند در هر سال افزایش قابل توجهی داشته است [7]. البته این نمودار نمی­تواند معیار خوبی برای تعداد مقالات چاپ شده در این زمینه باشد اما به خوبی پیشرفت قابل ملاحظه به پلاسمون­های سطحی را بعد از سال 1960 نشان می­دهد.

شکل1‑1: نمودار تعداد مقالات حاوی واژه پلاسمون سطحی در هر سال

همان­طور که بیان شد در میانه قرن بیستم توجه مستقیم به پلاسمون­های سطحی آغاز شد ولی خواص آن­ها بدون توجه به پایه و اساس فیزیک آن، مدتها قبل مورد استفاده قرار گرفته بود. به طور قابل توجه، سازندگان شیشه بدون توجه به اثرات پلاسمونی، پنجره­های شیشه­ای نقش دار و لیوان­های رنگی را با استفاده از ذرات کوچک فلزی در داخل شیشه ساخته بودند. یکی از اولین و مشهورترین آن­ها یک جام شیشه­ای مربوط به امپراطوری روم در قرن چهارم، جام لیکارگوس[11] می­باشد[8]. این جام نقش پادشاهی به نام لیکارگوس را نشان می­دهد که توسط عالم اموات کشیده می­شود. این جام تحت تابش یک نور معمولی سبز رنگ می­باشد در حالی که تحت تابش از داخل قرمز رنگ دیده می­شود. علت این امر وجود ذرات کوچک فلزی غوطه ور در دی­الکتریک جام می­باشد. اولین کار انجام شده با ارائه مدرک و سند برای بررسی تاثیر غوطه­ور کردن ذرات فلزی در شیشه برای تولید رنگ­های مختلف در سال 1904 توسط ماکسول گارنت[12] انجام شد [9]. او این کار را با استفاده از مدل درود[13] برای فلزات که به تازگی ارائه شده بود و خواص الکترومغناطیسی ذرات کوچک کروی که توسط لرد ریلی[14] انجام شده بود انجام داد. چند سال بعد و در سال 1908 یک گام اساسی در این زمینه توسط گوستاو می[15] برداشته شد که همچنان به میزان قابل توجهی برای ذرات کروی مورد استفاده قرار می­گیرد [10]. اما برای اولین بار ارتباط بین خواص نوری نانوذرات فلزی و توصیف آن­ها در قالب پلاسمون­های سطحی در سال 1970 انجام شد [11].

همزمان با ماکسول گارنت که به دنبال توصیف اثرات ناخالص سازی دی­الکتریک­ها با فلز بود، روبرت ویلیامز وود[16] متوجه شد که در نور پراشیده توسط یک فلز در جلوی یک توری پراش، یک الگوی غیر معمول نوار­های تاریک و روشن مشاهده می­شود [12،13]. هر چند او در این مقالات، سعی در توجیه این مسئله با بررسی برهم­کنش بین فلز و توری پراش با نور داشت اما جواب کامل آن توسط ریلی در سال 1907 داده شد [14] و بعدها توسط دیگران تکمیل شد [15]. تئوری ریلی براساس بسط میدان الکترومغناطیسی پراکنده شده بود. بر اساس این فرض، تکینگی­هایی در میدان پراکنده شده در بعضی طول موج­ها مشاهده شد که یکی از این طول موج­ها متناظر با طول موج به کار برده شده در کار وود بود. همچنین ریلی دریافت که این اثر فقط برای امواج با قطبش TM مشاهده می­شود و برای قطبش TE این اثرات مشاهده نمی­شود و یک رفتار معمولی دیده می­شود [16].

در دهه پنجاه بیشتر آزمایشات بر روی انرژی از دست رفته الکترون­های خیلی سریع در گاز­ها و فیلم­های نازک بود. با مشاهده انرژی قابل توجه از دست رفته این الکترون­ها در برخورد با فیلم­های فلزی نازک، وجود نوسانات جمعی در سطح فلزات حدس زده شد [2]. از دست رفتن انرژی الکترون­های سریع در این حالت با مشاهده نوسان الکترون­های رسانش یا تولید نوسان پلاسما یا پلاسمون با بررسی تخلیه الکتریکی در گازها برای اولین بار، توجیه شد که خود پایه آزمایشات انجام شده زیادی با بمباران سطح فلزی نازک با الکترون­های سریع بود [17،18]. مطالعات بیشتر مشخص کرد که انرژی از دست رفته می­تواند نتیجه نوسان پلاسمای سطحی باشد [21-19]. نوسان پلاسمای سطحی همچنین می­تواند تحت تاثیر حضور یک فیلم یا آلاینده بر سطح فلز قرار بگیرد. این اثر بوسیله نوسان امواج محو­شونده[17] الکترومغناطیسی در سطح فلز توضیح داده شد و این امواج در دهه 80 به عنوان وسیله­ای برای مطالعه فیلم­های فوق نازک فلزی و لایه­ها به کار برده شدند [22]. برانگیختگی پلاسمون­ها به وسیله فوتون، با کار همزمان دو فیزیکدان آلمانی به نام­های اتو و کرشمن انجام شد. در برانگیختگی پلاسمون­ها بوسیله الکترون، با فرستادن الکترون­ها و پراکنده شدن آن­ها، انرژی از دست رفته صرف نوسان الکترون­ها با یک مولفه بردار پراکندگی موازی با سطح و تولید پلاسمون­های سطحی می­شود. برای برانگیختگی بوسیله فوتون، اتو و کرشمن دریافتند که یک منشور باعث افزایش تکانه فوتون­های برانگیختگی کننده به منظور برانگیختگی پلاریتون-پلاسمون­های سطحی روی یک لایه فلزی نازک شدند. در روش به کار برده شده توسط اتو منشور نزدیک به سطح قرار دارد در حالی که در روش کرشمن منشور مستقیما روی فلز قرار می­گیرد. هر دو این آزمایشات، وجود پلاسمون­های سطحی را با یک فرورفتگی شدید در شدت نور منعکس شده در میدان دور با تغییر زاویه برخورد تایید کردند. این کار مقدمه­ و شروعی برای گستره­ی جدید در علم فیزیک به نام فیزیک پلاسمون سطحی شد [23].

1-3- کاربردهای پلاسمونیک

سیستم­های پلاسمونیکی کاربردهای زیادی در صنعت و به ویژه، در صنعت مخابرات دارند. مخصوصاً سیستم­های متشکل از آرایه­های منظم نانوذرات فلزی، به علت ویژگی­های جالبشان در کنترل امواج الکترومغناطیسی، کاربردهای بسیار زیادی در زمینه­های مختلف پیدا کرده­اند. یک ویژگی جالب آرایه­های متشکل از نانو ذرات فلزی، امکان انتقال امواج الکترومغناطیسی در امتداد چنین آرایه­هایی است. از این ویژگی، در موجبرهای پلاسمونیکی[18] استفاده می­شود (لازم به ذکر است که موجبرهای پلاسمونیکی، ناحیه­های استوانه­ای شکلی متشکل از لایه­های فلزی هستند، که امواج پلاسمونی سطحی، می­توانند در آن­ها منتشر شوند). انواع مختلفی از موجبرهای پلاسمونیکی می­توانیم داشته باشیم، مانند ساختارهای متشکل از نوارهای باریک فلزی [24] و نانوسیم­ها [25]، شیارهای فلزی [26] و ساختارهای متشکل از فلز و دی­الکتریک [27]. از سیستم­های پلاسمونیکی می­توان به عنوان کاواک­های تشدید[19] نیز استفاده کرد. موجبرها و کاواک­ها در کنترل انتشار امواج الکترومغناطیسی به کار می­روند. یک موجبر فقط در جهت معینی به نور، اجازۀ انتشار می­دهد و در یک کاواک، امواج الکترومغناطیسی با بسامدهایی کمتر از یک بسامد آستانه[20]، میرامی­شوند. موجبرهای پلاسمونیکی و کاواک­های تشدید پلاسمونیکی، نسبت به موجبرهای فلزی و کاواک­های تشدید فلزی مزیت­های زیادی دارند. می­دانیم امواج الکترومغناطیسی درگستره­ای از بسامدها، مثلاً در بسامدهای مرئی، در فلزات میرا می­شوند و این ویژگی فلزات باعث می­شود که نتوانیم از موجبرها و کاواک­های فلزی، در چنین فرکانس­هایی استفاده کنیم. موجبرهای پلاسمونیکی امکان کنترل اپتیکی امواج الکترومغناطیسی را در گسترۀ وسیع­تری از بسامدها فراهم می­کنند. یکی از کاربردهای مهم دیگر سیستم­های پلاسمونیکی، استفاده ازآن­ها، در آنتن­های پلاسمونیکی[21] است. همچنین از پلاسمون­های سطحی، می­توانیم برای ذخیره اطلاعات به صورت مگنتو-اپتیکی استفاده کنیم. از دیگر کاربردهای سیستم­های پلاسمونیکی استفاده از آن­ها در سلول­های خورشیدی است [28]. برای آشکارسازی یک تک مولکول، از روشی معروف به پراکندگی رامان[22] استفاده می­شود، کاربرد دیگر پلاسمون­های سطحی، در پراکندگی رامان است [29]. از سیستم­های پلاسمونیکی برای جایگزیده کردن نور در ناحیه­های خاصی از فضا نیز می­توان استفاده کرد. از ساختارهای متشکل از نانوذرات کروی فلزی، به عنوان نانو­عدسی­ها[23] برای کانونی کردن میدان نزدیک استفاده می­شود. یکی از ویژگی­های امواج پلاسمونی سطحی، قابلیت متمرکز کردن و هدایت نور، با استفاده از ساختارهای زیر طول موج است. در چنین ساختارهایی ابتدا نور باعث برانگیختگی پلاسمون­های سطحی می­شود و سپس این امواج پلاسمونی سطحی، در طول ساختار منتشر می­شوند. قابلیت محصورسازی نور، با استفاده از موجبرهای دی­الکتریک کم می­باشد، اما در موجبرهای پلاسمونی، به علت حضور امواج پلاسمونی سطحی، قابلیت محصورسازی نور، در ابعاد زیر طول موج نیز وجود دارد [30]. با استفاده از سیستم­های پلاسمونیکی می­توان موادی ساخت که فقط در جهت معینی و در فرکانس­های خاصی امواج الکترومغناطیسی بتواند از آن­ها عبور کند. به طور خلاصه، می­توانیم با استفاده از سیستم­های پلاسمونیکی امواج الکترومغناطیسی را به طور کامل کنترل کنیم. یک ویژگی جالب نانوذرات فلزی، تشدید پلاسمونیکی آن­ها، در فرکانس­هایی خاص است. از این ویژگی نانوذرات فلزی، برای تقویت شدت نور، ساخت حسگرهای اپتیکی، افزایش راندمان باتری­های خورشیدی و... استفاده می­شود.

یکی دیگر از کاربردهای مهم نانو ذرات طلا در علوم زیستی است. ذرات طلا به دلیل چگالی الکترونی بالایشان، با مواد آلی تفاوت محسوسی دارند و درنتیجه در میکروسکوپ­های الکترونی به راحتی می­توان آن­ها را از مواد آلی تشخیص داد. به همین علت از نانو ذرات طلا برای برچسب زنی مواد آلی استفاده می­شود.

بورین[24] و همکارانش، در سال 2004 پیشنهاد کردند که می­توان از مدهای پلاسمونی سطحی آرایه­های نانوذرات فلزی، در لیزرهای کاتوره­ای[25] استفاده کرد [31]. در سال 2004، زو[26] و همکارانش نشان دادند که می­توان از آرایه­های نانوذرات فلزی در حسگرهای اپتیکی استفاده کرد [32]. در سال 2003 لی[27] و همکارانش پیشنهاد کردند که می­توان از زنجیره­های نانوذرات فلزی در تولید میدان­های موضعی قوی استفاده کرد [33].

[1] Plasmonics

[2]Optical near field

[3] Plasmon

[4]Surface Plasmon Polaritons, SPP

[5]Localized Surface Plasmons, LSP

[6]Transverse Electric Mode

[7]Transverse Magnetic Mode

[8] Ritchie

[9]Kretschmann

[10] Otto

[11] lycurgus

[12]Maxwell Garnett

[13] Drude

[14]Lord Rayleigh

[15]Gustav Mie

[16]Robert Williams Wood

[17]Evanescent wave

[18]- Plasmonic Waveguide

[19]- Resonance Cavity

[20]- Threshold Frequency

[21]- Plasmonic Antenna

[22]- Raman Scattering

[23]- Nanolens

[24]- Burin

[25]- Random Laser

[26]- Zou

[27]- Li