Поверхностный плазмон-поляритон - Surface plasmon polariton

Поверхностный плазмон - поляритонов ( SppS ) являются электромагнитные волны , что путешествие вдоль металла - диэлектрическая или границы раздела металл-воздух, практически в инфракрасной или видимой -Частота. Термин «поверхностный плазмон-поляритон» объясняет, что волна включает в себя как движение заряда в металле (« поверхностный плазмон »), так и электромагнитные волны в воздухе или диэлектрике (« поляритон »).

Они представляют собой тип поверхностной волны , направляемой вдоль границы раздела во многом так же, как свет может направляться по оптическому волокну. SPP короче по длине волны, чем падающий свет (фотоны). Следовательно, SPP могут иметь более жесткое пространственное ограничение и более высокую напряженность локального поля . Перпендикулярно границе раздела они имеют ограничение в субволновом масштабе. SPP будет распространяться вдоль границы раздела до тех пор, пока его энергия не будет потеряна либо на поглощение в металле, либо на рассеяние в других направлениях (например, в свободное пространство).

Применение SPP позволяет использовать субволновую оптику в микроскопии и литографии за пределами дифракционного предела . Он также позволяет первое установившееся микромеханическое измерение фундаментального свойства самого света: импульса фотона в диэлектрической среде. Другие приложения - хранение фотонных данных, генерация света и биофотоника.

Возбуждение

Рисунок 1: (а) конфигурация Кречмана и (б) Отто установки ослабленного полного отражения для связи поверхностных плазмонов. В обоих случаях поверхностный плазмон распространяется вдоль границы раздела металл / диэлектрик.
Рисунок 2: Решетчатый ответвитель для поверхностных плазмонов. Волновой вектор увеличивается на пространственную частоту

ППП могут возбуждаться как электронами, так и фотонами. Возбуждение электронами создается за счет выстрела электронов внутрь металла. Когда электроны рассеиваются, энергия передается в объемную плазму. Составляющая вектора рассеяния, параллельная поверхности, приводит к образованию поверхностного плазмон-поляритона.

Чтобы фотон возбудил SPP, оба должны иметь одинаковую частоту и импульс. Однако для данной частоты фотон в свободном пространстве имеет меньший импульс, чем SPP, потому что они имеют разные дисперсионные соотношения (см. Ниже). Это несовпадение импульсов является причиной того, что фотон из воздуха в свободном пространстве не может напрямую связываться с SPP. По той же причине SPP на гладкой металлической поверхности не может излучать энергию в виде фотона в свободном пространстве в диэлектрик (если диэлектрик однороден). Эта несовместимость аналогична отсутствию передачи, которое происходит при полном внутреннем отражении .

Тем не менее, связывание фотонов в SPP может быть достигнуто с использованием среды связи, такой как призма или решетка, для согласования волновых векторов фотона и SPP (и, таким образом, согласования их импульсов). Призма может быть расположена напротив тонкой металлической пленки в конфигурации Кречмана или очень близко к металлической поверхности в конфигурации Отто (Рисунок 1). Решетчатый ответвитель согласовывает волновые векторы, увеличивая параллельную составляющую волнового вектора на величину, соответствующую периоду решетки (рис. 2). Этот метод, хотя и используется реже, имеет решающее значение для теоретического понимания влияния шероховатости поверхности . Более того, простые изолированные поверхностные дефекты, такие как канавка, щель или гофра на другой плоской поверхности, обеспечивают механизм, с помощью которого излучение в свободном пространстве и SP могут обмениваться энергией и, следовательно, взаимодействовать.

Поля и дисперсионное соотношение

Свойства SPP могут быть получены из уравнений Максвелла . Мы используем систему координат, в которой граница раздела металл – диэлектрик представляет собой плоскость, где металл находится в точке, а диэлектрик - в точке . В электрических и магнитных полей в зависимости от положения и времени т следующим образом :

где

  • n указывает материал (1 для металла at или 2 для диэлектрика at );
  • ω - угловая частота волн;
  • равно + за металл, - для диэлектрика.
  • - x- и z -компоненты вектора электрического поля, - y -компонента вектора магнитного поля, а остальные компоненты ( ) равны нулю. Другими словами, СПП всегда являются ТМ (поперечными магнитными) волнами.
  • k - волновой вектор ; это комплексный вектор, и в случае SPP без потерь оказывается, что компоненты x действительны, а компоненты z мнимы: волна колеблется в направлении x и экспоненциально затухает в направлении z . всегда одинакова для обоих материалов, но обычно отличается от
  • , где - диэлектрическая проницаемость материала 1 (металла), c - скорость света в вакууме . Как обсуждается ниже, это также можно записать .

Волна такой формы удовлетворяет уравнениям Максвелла только при условии, что также выполняются следующие уравнения:

а также

Решая эти два уравнения, дисперсионное соотношение для волны, распространяющейся по поверхности, имеет вид

Рис. 3. Дисперсионная кривая без потерь для поверхностных плазмонных поляритонов. При низком k кривая поверхностного плазмона (красная) приближается к кривой фотона (синяя).

В модели электронного газа со свободными электронами , в которой не учитывается затухание, диэлектрическая проницаемость металла равна

где объемная плазменная частота в единицах СИ равна

где n - плотность электронов, e - заряд электрона, m - эффективная масса электрона и диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Дисперсионное соотношение графически представлен на рисунке 3. При низкой к , то SPP ведет себя как фотон, но , как K увеличивается, дисперсионное соотношение наклоняется и достигает асимптотический предел называется «поверхностной плазменной частоты». Поскольку дисперсионная кривая лежит справа от световой линии, ω = kc , SPP имеет более короткую длину волны, чем излучение в свободном пространстве, так что внеплоскостная составляющая волнового вектора SPP является чисто мнимой и демонстрирует непродолжительное затухание. . Поверхностная плазменная частота является асимптотой этой кривой и определяется выражением

В случае воздуха этот результат упрощается до

Если мы предположим, что ε 2 действительное и ε 2 > 0, тогда должно быть верно, что ε 1 <0, условие, которое выполняется в металлах. Электромагнитные волны, проходящие через металл, затухают из-за омических потерь и взаимодействий электрон-остов. Эти эффекты проявляются в виде мнимой составляющей диэлектрической функции . Диэлектрическая функция металла выражается как ε 1 = ε 1 ′ + iε 1 ″, где ε 1 ′ и ε 1 ″ - действительная и мнимая части диэлектрической функции, соответственно. Вообще | ε 1 | >> ε 1 ″, поэтому волновое число можно выразить через его действительную и мнимую составляющие как

Волновой вектор дает нам представление о физически значимых свойствах электромагнитной волны, таких как ее пространственная протяженность и требования к связи для согласования волнового вектора.

Длина распространения и глубина кожи

Когда SPP распространяется по поверхности, он теряет энергию в металле из-за поглощения. Интенсивность поверхностного плазмона спадает с квадратом электрического поля , поэтому на расстоянии x интенсивность уменьшилась в раз . Длина распространения определяется как расстояние, на котором интенсивность SPP спадает с коэффициентом 1 / e . Это условие выполняется на длине

Точно так же электрическое поле быстро спадает перпендикулярно поверхности металла. На низких частотах глубина проникновения SPP в металл обычно аппроксимируется формулой глубины скин-слоя . В диэлектрике поле спадает гораздо медленнее. Длины распада в металле и диэлектрической среде можно выразить как

где i обозначает среду распространения. SPP очень чувствительны к незначительным возмущениям в глубине скин-слоя, и из-за этого SPP часто используются для исследования неоднородностей поверхности.

Анимации

Экспериментальные приложения

Нанофабричные системы, использующие SPP, демонстрируют потенциал для проектирования и управления распространением света в материи. В частности, SPP могут использоваться для эффективного направления света в объемы нанометрового масштаба, что приводит к прямому изменению свойств резонансной частотной дисперсии (например, к значительному сокращению длины волны света и скорости световых импульсов), а также к усилению поля, подходящему для обеспечения сильные взаимодействия с нелинейными материалами . Полученная в результате повышенная чувствительность света к внешним параметрам (например, приложенному электрическому полю или диэлектрической проницаемости адсорбированного молекулярного слоя) открывает большие перспективы для применения в области считывания и переключения.

Текущие исследования сосредоточены на разработке, производстве и экспериментальной характеристике новых компонентов для измерения и связи, основанных на наноразмерных плазмонных эффектах. Эти устройства включают в себя сверхкомпактные плазмонные интерферометры для таких приложений, как биосенсор , оптическое позиционирование и оптическое переключение, а также отдельные строительные блоки (источник плазмонов, волновод и детектор), необходимые для интеграции широкополосного плазмонного канала связи с инфракрасной частотой. кремниевый чип.

Помимо создания функциональных устройств на основе SPP, представляется возможным использовать дисперсионные характеристики SPP, перемещающихся в ограниченном металло-диэлектрическом пространстве, для создания фотонных материалов с искусственно заданными объемными оптическими характеристиками, также известных как метаматериалы . Искусственные режимы SPP могут быть реализованы в микроволновых и терагерцовых частотах с помощью метаматериалов; они известны как поверхностные плазмоны подделки .

Возбуждение SPP часто используется в экспериментальной технике, известной как поверхностный плазмонный резонанс (SPR). В SPR максимальное возбуждение поверхностных плазмонов обнаруживается путем отслеживания отраженной мощности призменного элемента связи в зависимости от угла падения , длины волны или фазы .

Схемы на основе поверхностных плазмонов , включая как SPP, так и локализованные плазмонные резонансы , были предложены в качестве средства преодоления ограничений размеров фотонных схем для использования в высокопроизводительных наноустройствах обработки данных.

Возможность динамического управления плазмонными свойствами материалов в этих наноустройствах является ключом к их развитию. Недавно был продемонстрирован новый подход, использующий плазмон-плазмонное взаимодействие. Здесь объемный плазмонный резонанс индуцируется или подавляется, чтобы управлять распространением света. Было показано, что этот подход имеет высокий потенциал для манипулирования светом в наномасштабе и разработки полностью КМОП-совместимого электрооптического плазмонного модулятора.

КМОП-совместимые электрооптические плазмонные модуляторы станут ключевыми компонентами фотонных схем на уровне кристалла.

При генерации второй поверхностной гармоники сигнал второй гармоники пропорционален квадрату электрического поля. Электрическое поле сильнее на границе раздела из-за поверхностного плазмона, приводящего к нелинейному оптическому эффекту . Этот более сильный сигнал часто используется для создания более сильного сигнала второй гармоники.

На длину волны и интенсивность пиков поглощения и излучения, связанных с плазмонами, влияет молекулярная адсорбция, которая может использоваться в молекулярных сенсорах. Например, изготовлен полностью работоспособный прототип устройства для обнаружения казеина в молоке. Устройство основано на мониторинге изменений в плазмонном поглощении света золотым слоем.

Используемые материалы

Поверхностные плазмонные поляритоны могут существовать только на границе между материалом с положительной диэлектрической проницаемостью и материалом с отрицательной диэлектрической проницаемостью. Материал с положительной диэлектрической проницаемостью, часто называемый диэлектрическим материалом , может быть любым прозрачным материалом, например воздухом или (для видимого света) стеклом. Материал с отрицательной диэлектрической проницаемостью, часто называемый плазмонным материалом , может быть металлом или другим материалом. Это более важно, так как имеет тенденцию иметь большое влияние на длину волны, длину поглощения и другие свойства SPP. Далее обсуждаются некоторые плазмонные материалы.

Металлы

Для видимого и ближнего инфракрасного света единственными плазмонными материалами являются металлы из-за большого количества свободных электронов, что приводит к высокой плазменной частоте . (Материалы имеют отрицательную реальную диэлектрическую проницаемость только ниже их плазменной частоты.)

К сожалению, металлы страдают от омических потерь, которые могут ухудшить характеристики плазмонных устройств. Потребность в более низких потерях стимулировала исследования, направленные на разработку новых материалов для плазмоники и оптимизацию условий осаждения существующих материалов. И потери, и поляризуемость материала влияют на его оптические характеристики. Коэффициент качества для SPP определяется как . В таблице ниже показаны коэффициенты качества и длины распространения SPP для четырех распространенных плазмонных металлов; Al, Ag, Au и Cu нанесены термическим испарением в оптимальных условиях. Коэффициенты качества и длины распространения плазмонной волны рассчитывались с использованием оптических данных для пленок Al , Ag , Au и Cu .

Режим длины волны Металл
Ультрафиолет (280 нм) Al 0,07 2,5
Видимый (650 нм) Ag 1.2 84
Cu 0,42 24
Au 0,4 20
Ближний инфракрасный (1000 нм) Ag 2.2 340
Cu 1.1 190
Au 1.1 190
Телеком (1550 нм) Ag 5 1200
Cu 3,4 820
Au 3.2 730

Серебро демонстрирует самые низкие потери из существующих материалов как в видимом, ближнем инфракрасном (NIR), так и в телекоммуникационном диапазонах длин волн. Золото и медь одинаково хорошо работают в видимом и ближнем ИК диапазонах, при этом медь имеет небольшое преимущество в телекоммуникационных длинах волн. Преимущество золота перед серебром и медью состоит в том, что оно химически стабильно в естественной среде, что делает его хорошо подходящим для плазмонных биосенсоров. Однако межзонный переход на ~ 470 нм значительно увеличивает потери золота на длинах волн ниже 600 нм. Алюминий - лучший плазмонный материал в ультрафиолетовом режиме (<330 нм), а также КМОП-совместимый материал вместе с медью.

Другие материалы

Чем меньше в материале электронов, тем ниже (т.е. длиннее волны) становится его плазменная частота . Следовательно, в инфракрасном и более длинноволновом диапазонах помимо металлов существуют и другие плазмонные материалы. К ним относятся прозрачные проводящие оксиды , которые имеют типичную плазменную частоту в инфракрасном диапазоне NIR - SWIR . На более длинных волнах полупроводники также могут быть плазмонными.

Некоторые материалы имеют отрицательную диэлектрическую проницаемость на определенных длинах волн инфракрасного излучения, связанные с фононами, а не с плазмонами (так называемые полосы рестстралена ). Результирующие волны имеют те же оптические свойства, что и поверхностные плазмон-поляритоны, но называются другим термином - поверхностными фононными поляритонами .

Эффекты шероховатости

Чтобы понять влияние шероховатости на SPP, полезно сначала понять, как SPP связан с решеткой ( рис . 2) . Когда фотон падает на поверхность, волновой вектор фотона в диэлектрическом материале меньше, чем у SPP. Чтобы фотон попал в SPP, волновой вектор должен увеличиться на . Решетка гармоники из периодической решетки обеспечивают дополнительный импульс параллельно опорной интерфейс в соответствии с условиями.

где - волновой вектор решетки, - угол падения падающего фотона, a - период решетки, а n - целое число.

Шероховатую поверхность можно рассматривать как суперпозицию множества решеток с разной периодичностью. Кречманн предложил определить статистическую корреляционную функцию для шероховатой поверхности.

где - высота над средней высотой поверхности в позиции , а - площадь интегрирования. Предполагая, что статистическая корреляционная функция является гауссовой формы

где - среднеквадратичная высота, - расстояние от точки , - длина корреляции, тогда преобразование Фурье корреляционной функции имеет вид

где - мера количества каждой пространственной частоты, которая помогает связывать фотоны в поверхностный плазмон.

Если поверхность имеет только одну фурье-составляющую шероховатости (т. Е. Профиль поверхности является синусоидальным), то она является дискретной и существует только в точке , что приводит к единственному узкому набору углов для соединения. Если поверхность содержит много компонентов Фурье, связь становится возможной под разными углами. Для случайной поверхности становится непрерывным, а диапазон углов связи расширяется.

Как указывалось ранее, SPP не излучают. Когда SPP движется по шероховатой поверхности, он обычно становится излучательным из-за рассеяния. Теория поверхностного рассеяния света предполагает, что интенсивность рассеяния на телесный угол на интенсивность падения равна

где - диаграмма направленности от одиночного диполя на границе раздела металл / диэлектрик. Если поверхностные плазмоны возбуждаются в геометрии Кречмана и рассеянный свет наблюдается в плоскости падения (рис.4), то дипольная функция принимает вид

с участием

где - угол поляризации, а - угол от оси z в плоскости xz . Из этих уравнений вытекают два важных следствия. Во-первых, что если (s-поляризация), то и рассеянный свет . Во-вторых, рассеянный свет имеет измеримый профиль, который легко соотносится с шероховатостью. Более подробно эта тема рассматривается в справочнике.

Смотрите также

Заметки

Рекомендации

дальнейшее чтение

Внешние ссылки