Плазмонный резонанс

1. ПЛАЗМОННЫЙ РЕЗОНАНС

2.

ПЛАЗМОННЫЙ РЕЗОНАНС — это резонансные колебания электронов при возбуждении
поверхностного плазмона на его резонансной частоте внешней электромагнитной волной.
Необходимым условием для генерации поверхностных плазмонов является наличие
свободных электронов на границе раздела двух материалов. На практике это всегда означает,
что одним из этих материалов является металл (обычно золото или серебро), где много
свободных электронов. Это условие естественно следует из анализа границы раздела металл/
диэлектрик методом уравнения Максвелла. Из этого анализа вырисовывается картина, что
поверхностные плазмоны можно рассматривать как распространяющиеся волны электронной
плотности, возникающие на границе раздела между металлом и диэлектриком.
Технический прием, позволяющий использовать поверхностные плазмоны в оптике,
основан на использовании полного внутреннего отражения. При полном внутреннем
отражении вдоль отражающей свет поверхности распространяется электромагнитная волна,
скорость которой и зависит от угла падения. Если при определенном угле падения скорость этой
волны совпадет со скоростью поверхностного плазмона на поверхности металла, то условия
полного внутреннего отражения нарушатся, и отражение перестанет быть полным, возникнет
поверхностный плазмонный резонанс.
В наноразмерных металлических системах происходит модификация коллективных
электронных возбуждений. Коллективное электронное возбуждение металлических
наночастиц, размер которых меньше длины волны электромагнитного излучения в
окружающей среде — локализованный поверхностный плазмон, — колеблется на частоте,
меньшей частоты объемного плазмона в √3 раз, тогда как частота поверхностного плазмона
примерно в √2 раз меньше, чем частота объемного плазмона. При совпадении частоты
внешнего поля с частотой локализованного поверхностного плазмона возникает резонанс,
приводящий к резкому усилению поля на поверхности частицы и увеличению сечения
поглощения.

3.

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ПЛАЗМОНЫ НА ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Поверхностные плазмон – поляритоны представляют
собой э/м возбуждения, распространяющиеся в
достаточно тонком слое по границе раздела между
проводником и диэлектриком. Они возникают как
результат взаимодействия э/м полей диэлектрика с
электронной плазмой проводника
ГЕНЕРАЦИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛАЗМОНОВ НА ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
В процессе генерации должно выполняться условие фазового синхронизма –
волновой аналог закона сохранения энергии импульса.
Возбуждение поверхностных плазмонов в конфигурации Отто (а) и в конфигурации
Кречманна (b)

4.

ТЕКСТУРИРОВАННАЯ МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ПОВЕРХНОСТЬ КАК ФОТОННЫЙ КРИСТАЛЛ
ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛАЗМОНОВ
Поверхность с
периодом а
Eсли
период
поверхностной
структуры равен половине длины
волны
ПП,
то
вместо
распространяющейся волны ПП
превращается в стоячую волну,
что соответствует возникновению
запрещенной
зоны
для
поверхностного плазмона. В таком
случае
велика
плотность
состояний
фотонных
мод,
происходит усиление поля
Дисперсия w(k)
Условием возбуждения поверхностных плазмонов является соотношение между
волновыми векторами падающего излучения, плазмонов и векторов обратной решетки,
характеризующей рифленую поверхность металла:

5.

Свойства локализованных плазмонов критически зависят от формы наночастиц или
толщины нанопленок, что позволяет настраивать систему их резонансов на
эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами.
В настоящее время явление поверхностного плазмонного резонанса широко
применяется при создании химических и биологических сенсоров (биосенсоров). При
контакте с биообъектами (ДНК, вирусы, антитела) плазмонные эффекты позволяют
более чем на порядок увеличить интенсивность сигналов флуоресценции, т. е.
значительно расширяют возможности обнаружения, идентификации и диагностики
биологических объектов.
УСИЛЕНИЕ ПОЛЯ ЗА СЧЕТ ГЕНЕРАЦИИ ПП
Усиление ЭМ поля вблизи
Для неровной серебряной пленки на
поверхности
серебряной
длине волны 600 нм можно получить
пленки различной толщины,
приповерхностное усиление электрического
обусловленное ПП, на длине
поля в 200 раз, что используется в нелинейной
волны 600 нм
оптической спектроскопии.
В
спектроскопии
поверхностноусиленного рамановского рассеяния сигнал за
счет поля ПП может быть усилен от 1012до
1015раз, что экспериментально наблюдалось
для молекул красителя, адсорбированных
поверхностью агрегированных золотых и
серебряных коллоидных пленок.

6.

Расчетное СЕЧЕНИЕ РАССЕЯНИЯ и СЕЧЕНИЕ
ПОГЛОЩЕНИЯ излучения на серебряных
наносферах различного радиуса (10, 20, 30, 40
нм) вблизи плазмонного резонанса в стекле
РАССЕЯНИЕ НА ЗОЛОТЫХ НАНОСФЕРАХ
ИЗМЕНЕНИЕ
ЦВЕТА
ЗОЛОТЫХ
НАНОЧАСТИЦ С ИЗМЕНЕНИЕМ ИХ
ДИАМЕТРА

7.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАССЕЯНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ НА НАНОЧАСТИЦАХ
Физической основой использования металлических наночастиц в качестве сенсоров
является зависимость частоты плазмонного резонанса в спектре рассеянного излучения от
диэлектрической проницаемости окружающей среды (матрицы).
Рассеянный спектр зависит от локальной величины диэлектрической проницаемости
матрицы. Это существенно повышает разрешающую способность рассматриваемого
подхода по сравнению с другими оптическими методами.
Сдвиг плазмонного резонанса при рассеянии излучения на металлической наночастице
определяется локальной концентрацией частиц окружающей среды в объеме порядка
10-16 см3. Число молекул в таком объеме, которые вызывают спектральный сдвиг, очень
мало (порядка нескольких тысяч).
ПРИМЕР ВЛИЯНИЯ МАТРИЦЫ НА
СПЕКТР РАССЕЯННОГО СЕРЕБРЯНОЙ
НАНОСФЕРОЙ ИЗЛУЧЕНИЯ
Экспериментальный
спектр
излучения, рассеянного на одиночной
серебряной наносфере (30 нм),
частично погруженной в водный
раствор
сахарозы
различной
концентрации

8.

ОПТИЧЕСКОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА
•Металлические наночастицы, помещенные в раствор, могут служить также сенсорами
электрического заряда, возникающего на их поверхности в результате взаимодействия с
молекулами растворителя.
•Наличие избыточного количества электронов в наночастице приводит к увеличению
концентрации электронов проводимости, что увеличивает плазменную частоту и частоту
плазмонного резонанса, вызывая тем самым т.н. «синий» сдвиг в спектре рассеянного
излучения.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ РАССЕЯНИЯ СВЕТА
«Красный» (а) и «синий» (б) сдвиг плазмонного резонанса при рассеянии излучения на
серебряных наночастицах, помещенных в различные домены жидкого кристалла, при
приложении постоянного электрического поля

9.

- поверхностные плазмоны (ПП) представляют собой связанное возбуждение
электромагнитного поля и поверхностного заряда на границе раздела проводника и
диэлектрика;
- ПП способны каналировать энергию ЭМ вдоль поверхности металла на расстояния
порядка десятков микрон, что делает перспективным их использование в
оптоэлектронике (плазмонике);
-для возбуждения ПП на плоской границе необходимо выполнение условия
синхронизма, что достигается с помощью эванесцентной волны;
- обусловленное ПП усиление электрического поля вблизи поверхности проводника
открывает новые возможности в нелинейной спектроскопии;
- ПП резонанс при рассеянии излучения на металлических сферах определяется
диэлектрической проницаемостью матрицы, что делает перспективным
использование ПП в оптических датчиках (сенсорах)