علم پلاسمونیک – تئوری و کاربردهای آن

تهیه و تنظیم: گروه تخصصی پارس اپتیک

پلاسمون‌ها (مجموعه نوسان‌های الکترون‌های باند ظرفیت در مواد رسانا) دارای ویژگی‌های جذاب و منحصر به فردی در فناوری‌های فوتونیکی [۱] هستند: (۱) دارای گستره فضایی کوچک در مقایسه با طول‌موج نور که از این خاصیت برای دستیابی به بهبود رزولوشن تصویری استفاده می‌شود [۲]؛ (۲) برهم‌کنش عالی آن‌ها با نور، از این خاصیت و با بکارگیری از نانوذرات فلزی به تولید رنگ پرداخته می‌شود [۳] و (۳) پیشرفت‌های گسترده ایجادشده در علوم نوری توسط این برهم‌کنش‌های قدرتمند، که از میان آن‌ها می‌توان به ایجاد نور خارجی با اندازه شدت نور بزرگتر از ۱۰^۵ برابر شدت نور ورودی اشاره کرد، این خاصیت در پراکندگی رامان سطحی [۴] و پراکندگی رامان تیپ ای.اف.ام [5] به ترتیب آثار SERS و TERS مشاهده شده است. در سال‌های اخیر، کنترل مشخصات طیفی و فضایی این مجموعه تحریک‌ها [6–7] موجب ایجاد کاربردهای مهمی نظیر قدرت تشخیص با حساسیت بالا تا سطح تک مولکول [8]، بهبود فتوولتائیک [9]، فوتومتری نانومقیاس [10]، درمان سرطان [11] و اپتیک غیرخطی [12] و … شده است.

تحریک‌های پلاسمون، نوسان‌های بار یا جریان‌های ذاتی است که از طریق برهم‌کنش کولومب با هم جفت می‌شوند. یکی از این تحریک‌ها پلاریتون پلاسمون سطحی (SPP) نام دارد که شامل یک پلاسمون محدودشده در فصل مشترک یک ماده دی‌الکتریک است. این مهم از علم فیزیک پلاسما نشات می‌گیرد و بیش از یک قرن است که به طور گسترده مورد مطالعه قرار می‌گیرد. هویت دوگانه این پلاریتون‌ها (نیمی موج نوری و نیم دیگر نوسان الکترونیکی) امکان انجام هم‌زمان تصویربرداری نوری و تعیین خواص الکترونیکی سطح یک ماده را فراهم می‌آورد.

برای اولین بار، پدیده پلاسمون توسط آقای وود در سال ۱۹۰۲ گزارش شده است [۱3]: او توزیع ناهموار نور را در یک طیف پراش مشاهده کرد. نزدیک به ۴۰ سال بعد، آقای فانو پدیده آقای وود را به صورت تئوری بررسی کرد [۱4] و نشان داد که در این پدیده امواج الکترومغناطیس از نوع سومرفلد با اندازه حرکت بزرگ مماسی بر روی یک سطح فلزی تحریک می‌شوند که نمی‌توان آن‌ها را با تقریب رایلی توصیف کرد [۱5]. آقای کروک در سال ۱۸۷۹ چهارمین حالت اساسی ماده را گزارش کرد که در آن یون‌های مثبت و الکترون‌ها یا یون‌های منفی هم‌زیستی دارند؛ او آن را حالت تشعشعی نامید [۱6]. پس از آن، آقای لنگمیر مطالعاتی بر روی نوسانات این حالات یونیزه شده انجام داده و آن را پلاسما نامید [۱7]. در فاصله زمانی بسیار کم، آقای لنگمیر با همکاری آقای تونک متوجه شدند که پلاسما می‌تواند نوسانات الکترون و یون را تقویت کند و یک موج دیلاتاسیون از چگالی الکترون ایجاد کند [۱8]. این موج می‌تواند به عنوان نوسانات پلاسما کوانتیزه شود که می‌توان آن را “پلاسمون” نامید. پس از آن، آقای پاینس با همکاری آقای بوهم چندین کار آزمایشگاهی و تئوری برای کشف منشاء اتلاف انرژی الکترون‌های پرسرعت هنگام عبور از ورقه‌های فلزی انجام دادند و متوجه شدند که بخشی از تلفات انرژی به علت تحریک پلاسمون‌ها رخ میدهد که رفتار جمع‌شوندگی دارند [19]. آن‌ها فرکانس تشدید پلاسمون در ماده پلاسما را به صورت رابطه زیر بدست آوردند:

در این رابطه، n و m به ترتیب چگالی و جرم الکترون و ε_۰ ضریب گذردهی الکتریکی در خلاء است. در سال ۱۹۵۷ آقای ریچی دریافت که تلفات غیرطبیعی انرژی، ۲ بار یکی در فرکانس نوسان پلاسمون و دیگری در زیر فرکانس نوسان آن هنگامی که الکترون در طول یک لایه نازک عبور می‌کند، اتفاق می‌افتد و اظهار کرد که این پدیده باید به نوع اتصالات مواد وابسته باشد [۲0]. این کار در سال ۱۹۶۰ توسط آقای استرن و فرل با مطالعه ارتعاش پلاسمای الکترون انحطاط یافته بر روی سطح ماده ادامه یافت و “پلاسمون‌های سطحی” نامیده شد [۲1]. پلاسمون‌های سطحی مجموعه‌ای از نوسانات بارهای الکتریکی بر روی سطح مواد پلاسمونیکی هستند. اگرچه پلاسمون‌ها درون مواد به دلیل اتلاف سنگین انرژی خود به سرعت محو می‌شوند اما پلاسمون‌های سطحی می‌توانند به صورت کامل و در فاصله بسیار طولانی انتشار یابند.

با توسعه سریع حوزه پلاسمونیک، محققین دریافتند که پلاسمون‌های سطحی با انرژی‌های مختلف مانند فوتون‌ها، الکترون‌ها و فونون‌ها می‌توانند با هم جفت یا تحریک شوند [۲2]. برای مثال، پلاسمون‌های سطحی می‌توانند با فوتون‌ها جفت شوند و ذرات ترکیبی پلاریتون‌های پلاسمون سطحی را شکل دهند. در تئوری، رابطه پاشیدگی بین فرکانس و بردار موج برای انتشار پلاریتون‌های پلاسمون سطحی در طول اتصال یک ماده دی‌الکتریک و یک محیط نیمه‌بی‌نهایت می‌تواند با محاسبه مودهای سطحی از طریق حل معادلات ماکسول در یک شرط مرزی مناسب بدست آید [۲3] که پاسخ غیرتشعشعی آن رابطه پاشیدگی پلاریتون‌های پلاسمون سطحی است:

در این رابطه ε_m و ε_d به ترتیب ضرایب گذردهی الکتریکی محیط و دی‌الکتریک و k₀ بردار موج نور در فضای آزاد است. شایان ذکر است که پلاریتون‌های پلاسمون سطحی نمی‌توانند به صورت مستقیم توسط نور در یک محیط نیمه‌بی‌نهایت پلاسمونیکی تحریک شوند. لذا به جهت تحریک، باید بردارهای موج پلاسمون‌های سطحی و نور با هم تطبیق پیدا کنند. بر اساس رابطه پاشیدگی، k_sp می‌تواند به صورت مختلط شامل بخش حقیقی مثبت انتشاری و بخش منفی انحطاط باشد که همیشه به ε_m وابسته است. با در نظر گرفتن مواد فلزی، ε_m می‌تواند از مدل درود استخراج شود:

در این رابطه، τ زمان واهلش الکترون‌ها در فلز است [۲4]. به لطف پلاسمونیک، بسیاری از تگناها نظیر نانوفوتونیک [۲5]، فرامواد [۲6]، ابزارهای فتوولتائیک [۲7] و سنسورها [۲8] شکسته خواهند شد. پلاسمون‌ها می‌توانند در بسیاری از فلزات معمولی نظیر طلا (Au)، نقره (Ag)، مس (Cu) و آلومینیوم (َAl) تحریک شوند. مدت زیادی است که این فلزات به عنوان بهترین مواد پلاسمونیکی مورد توجه قرار گرفته‌اند. با این حال، این فلزات نجیب از تلفات انرژی شدیدی رنج می‌برند؛ همچنین، کنترل پلاسمون سطحی در فلز آسان نیست. این نقاط ضعف موجب محدودشدن توسعه و کاربرد پلاسمونیک می‌شود.

در سال ۲۰۰۴ ورقه‌های گرافن توسط آقای نووسلوو و گیم ارائه شد [29]. این ماده انقلابی را در مواد ایجاد کرد. ورق دوبعدی کربن دارای بسیاری از ویژگی‌های منحصربه‌فرد است. گرافن دارای بازده کوانتومی بسیار بالا برای برهم‌کنش‌های ماده-نور است و دارای غیرخطی نوری بالا و شامل پلاسمون‌هایی با مشخصات غیرعادی است [۳0]. الکترون‌ها در گرافن مانند فرمیون‌های دیراک بدون جرم رفتار می‌کنند که باعث ایجاد مشخصه‌های خارق‌العاده‌ای نظیر حامل‌های با موبیلیتی بالا، تنظیم‌پذیری چگالی حامل‌ها با گیت، آثار غیرمعمول کوانتومی هال و … می‌شود [۳1]. با توجه به ماهیت خاص گرافن، پلاسمون‌های ذاتی آن دارای یک مزیت مهم در مقایسه با پلاسمون‌های فلزات نجیب هستند، آن‌ها می‌توانند توسط ولتاژ گیت، روش‌های دوپینگ و شیمیایی تنظیم شوند. علاوه بر این، تلفات کم و بازده موج محلی‌شده در فرکانس‌های Mid-IR، گرافن را جایگزین کاربردهای آینده خواهد کرد. لذا، ادواتی که توسط خواص پلاسمونی گرافن بررسی می‌شوند “گرافن پلاسمونیک” نام گرفته‌اند.

شبیه‌سازی ادوات پلاسمونیکی توسط روش‌های عددی FDTD یا FEM و با نرم‌افزارهای لومریکال، کامسول یا CST Studio انجام می‌شود. آموزش‌های نحوه شبیه‌سازی ادوات پلاسمونیکی توسط گروه تخصصی پارس اپتیک به دو صورت دوره‌های آموزش تخصصی در دانشگاه‌های معتبر کشور نظیر صنعتی امیرکبیر، صنعتی خواجه‌نصیر و فیلم‌های آموزشی نظیر سنسور پلاسمونیکی و فیلتر پلاسمونیکی صورت می‌پذیرد که کماکان در حال توسعه است. همچنین، مجموعه‌ای ارزشمند از کتاب‌های پلاسمونیک به منظور ترویج این علم در دسترس عموم علاقمندان قرار گرفته است.

شایان توجه است، نحوه شبیه‌سازی پلاسمون‌های گرافن در مجموعه ۱۱ CST Studio و مجموعه 12 کامسول توسط گروه تخصصی پارس اپتیک ارائه شده است. مرجع این شبیه‌سازی یک مقاله از مجله ACS Photonics است.