Plasmon

Plasmon
Yhdiste: Kvasihiukkanen
Luokitus: Pintaplasmonit , plasmoniresonanssi

Fysiikassa plasmoni  on kvasihiukkanen , joka vastaa plasmavärähtelyjen kvantisointia , jotka ovat vapaan elektronikaasun kollektiivisia värähtelyjä [1] .

Käsitteen alkuperä

Amerikkalaiset fyysikot David Pines ja David Bohm [2] [3] ottivat käyttöön termin "plasmoni" vuonna 1952 pitkän kantaman elektroni-elektroni-korrelaatioiden Hamiltonina [4] [5] .

Koska plasmonit ovat kvantisoituja klassisia plasmavärähtelyjä, suurin osa niiden ominaisuuksista voidaan johtaa suoraan Maxwellin yhtälöistä [6] .

Selitys

Plasmonit määräävät suurelta osin metallien ja puolijohteiden optiset ominaisuudet . Sähkömagneettinen säteily, jonka taajuus on materiaalin plasmataajuutta pienempi, heijastuu siitä hyvin, koska vapaat elektronit voivat värähdellä tällä taajuudella ajassa tämän säteilyn sähkömagneettisen kentän värähtelyjen kanssa ja suojaavat sitä. Mutta plasmataajuuden yläpuolella elektronit eivät enää pysty värähtelemään tarpeeksi nopeasti, ja niin korkeataajuinen sähkömagneettinen säteily voi tunkeutua metalliin tai puolijohteeseen, kulkea sen läpi tai absorboida sen.

Useimpien puhtaiden metallien plasmataajuudet sijaitsevat spektrin ultraviolettialueella , ja koko näkyvällä alueella nämä metallit heijastavat säteilyä yhtä hyvin ja näyttävät siksi värittömiltä ja kiiltäviltä . Mutta kuparilla ja kullalla on elektronisia siirtymiä näkyvän spektrin taajuuksilla. Niissä metalli absorboi valoa voimakkaammin kuin muilla näkyvän alueen taajuuksilla, minkä vuoksi kupari ja kulta heijastuneessa valossa näyttävät värillisiltä [7] [8] .

Puolijohteissa valenssikaistan elektronien plasmataajuus on yleensä kaukana ultraviolettialueella, mutta tasojen väliset elektroniset siirtymät voivat tapahtua näkyvän valon fotonienergioilla. Tällainen puolijohde myös absorboi valikoivasti näkyvän valon taajuuksia ja näyttää värilliseltä [9] [10] . Erittäin seostetuissa nanohiukkasten muodossa olevissa puolijohteissa plasmataajuus voi olla lähi- tai keski-infrapuna-alueella [11] [12] .

Plasmonin energia voidaan arvioida lähes vapaiden elektronien mallissa seuraavasti:

missä n  on valenssielektronien tiheys, e  on alkuainevaraus , m  on elektronin massa ja ε 0  on tyhjiön läpäisevyys .

Pintaplasmonit (pintoihin rajoittuneet plasmonit) vuorovaikuttavat voimakkaasti valon kanssa, mikä johtaa polaritonien muodostumiseen . Niillä on rooli valon Raman-sirontapinnan parantamisessa ja metallidiffraktion poikkeavuuksien selittämisessä. Pintaplasmoniresonanssia käytetään biokemiassa molekyylien läsnäolon havaitsemiseksi pinnalla.

Paikallinen pintaplasmoni on läsnä pienissä metallihiukkasissa (nanohiukkasissa), kuten kullassa tai hopeassa . Riittävän pienillä hiukkaskooilla (hiukkasten halkaisija < tulevan sähkömagneettisen säteilyn aallonpituus) sitä voidaan pitää värähtelevänä dipolina. Sähkömagneettisen säteilyn absorboitunut energia voi merkittävästi lämmittää nanohiukkasia [13] .

Mahdolliset käyttötavat

Plasmoneja pidetään välineenä siirtää tietoa tietokonesiruissa , koska plasmonijohdot voivat olla paljon ohuempia kuin tavalliset johdot ja voivat tukea paljon korkeampia taajuuksia ( 100 THz :n tilassa , kun taas tavallisilla johdoilla on suuret häviöt 10 GHz :llä ). Niitä on myös ehdotettu välineeksi korkearesoluutioiseen litografiaan ja mikroskopiaan niiden erittäin lyhyiden aallonpituuksien vuoksi. Molemmat näistä sovelluksista on todistettu menestyksekkäästi laboratorioissa.

Plasmoneja voidaan käyttää myös säteilyn tuottamiseen spasereiksi kutsutuissa rakenteissa .

Muistiinpanot

  1. ↑ Slyusar, V.I. Nanoantennit: lähestymistavat ja näkymät. - C. 58 - 65. . Elektroniikka: tiede, teknologia, liiketoiminta. - 2009. - nro 2. C. 63 (2009). Haettu 3. kesäkuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 3. kesäkuuta 2021.
  2. ↑ Pines, David; Bohm, David. Yhteinen kuvaus elektronien vuorovaikutuksista: II. Vuorovaikutusten kollektiiviset vs. yksittäiset hiukkaset  // Fyysinen katsaus  . - 1952. - 15. tammikuuta ( julkaisu 85 ). - s. 338 .
  3. ↑ Sarid, Dror; Haastaja, William. Nykyaikainen johdatus pintaplasmoneihin: teoria, matemaattinen mallinnus ja sovellukset . - Cambridge University Press, 2010. - P. 1. - ISBN 978-0-521-76717-0 .
  4. ↑ Bohm, David; Pines, David. Coulombin vuorovaikutukset rappeutuneessa elektronikaasussa  // Fyysinen katsaus  . - 1953. - 1. marraskuuta ( julkaisu 92 ). — s. 609–625 . - doi : 10.1103/physrev.92.609 . - .
  5. ↑ Shevchik NJ Vaihtoehtoinen johtaminen Bohm-Pinesin teoriasta elektroni-elektroni-vuorovaikutuksista  //  J. Phys. C: Solid State Phys. - 1974. - Voi. 7 . - P. 3930-3936 . - doi : 10.1088/0022-3719/7/21/013 . - .
  6. ↑ Jackson, JD 10.8 Plasmavärähtelyt // Klassinen elektrodynamiikka . – 2. - New York: John Wiley & Sons , 1975. - ISBN 978-0-471-30932-1 .
  7. ↑ Burdick, Glenn. Kuparin energiakaistan rakenne  (englanniksi)  // Physical Review . - 1963. - Voi. 129 . — s. 138–150 . - doi : 10.1103/PhysRev.129.138 . - .
  8. ↑ S. Zeng. Katsaus funktionalisoiduista kultananohiukkasista biosensointisovelluksiin   // Plasmonics . - 2011. - Vol. 6 , iss. 3 . — s. 491–506 . - doi : 10.1007/s11468-011-9228-1 .
  9. ↑ Kittel, C. Johdatus kiinteän olomuodon fysiikkaan . – 8. - John Wiley & Sons , 2005. - s  . 403 .
  10. ↑ Böer, K.W. Survey of Semiconductor Physics. – 2. - John Wiley & Sons , 2002. - Voi. 1. - s. 525.
  11. ↑ Liu, Xin; Swihart, Mark T. Voimakkaasti seostetut kolloidiset puolijohde- ja metallioksidinanokiteet: nouseva uusi plasmonisten nanomateriaalien luokka   // Chem . soc. Rev.. - 2014. - Vol. 43 . - P. 3908-3920 . - doi : 10.1039/c3cs60417a .
  12. ↑ Pi, Xiaodong; Delerue, Christophe. Tiukasti sitovat laskelmat optimaalisesti P-seostettujen Si-nanokiteiden optisesta vasteesta: malli paikalliselle pintaplasmoniresonanssille  // Physical Review Letters  . - 2013. - Vol. 111 . — P. 177402 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.111.177402 . - . — PMID 24206519 .
  13. ↑ doi:10.1016/S1748-0132(07)70017-8 . Haettu 20. heinäkuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 10. heinäkuuta 2010.

Linkit

 Kvasihiukkaset ( Luettelo kvasihiukkasista )
Perus
Komposiitti
Luokitukset