Download - Felületi plazmonok optikai vizsgálata
Felületi plazmonok optikai vizsgálata
Előadók: Balla PéterKocsis Vilmos
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemFizika Tanszék
Optikai spektroszkópia szeminárium, 2012 április 19.
2
Tartalom
Egy Dresdeni templom rózsaablaka, Wiki
J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991)A. Otto, Zeitschrift für Physik 216, 398-410 (1968)W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)
• Bevezetés
• Megoldás a Maxwell egyenletekkel
• Plazmonok tulajdonságai
• Alkalmazások
Impulzus: R: x-irányban megmarad, z-ben előjelet vált
Új közegben:
Amikor:
3
J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991)W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)
Ismétlés
2 2 1 1sin sinn n
THp-polarizált
1 1p k n
2 90 22
1 1
sin Cnn
Időben, térben oszcilláló, propagáló töltéseloszlás
z-irányban lecsengő tér
4
J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991)
Részletes leírás
THp-polarizált
fém:2
dielektrikum:1
0
0,
:
diel
metal metal metal
metalideális esetben R
Maxwell+határfeltételek+”alak”:
1→2: változatlan 1→2: változik
Továbbá elhaló hullámok:
C
ellentétes előjelűek (diel. áll. miatt)
diel metalx
diel metal
k Rc
újabb feltétel: diel metal
5
THp-polarizált
fém:2
dielektrikum:1
diel metalx
diel metal
k Rc
újabb feltétel: diel metal
Van disszipáció a fémben:, ,metal metal r metal ii
propagálvégtelen úthosszal
kc
J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991)
0
0,
:
diel
metal metal metal
metalideális esetben R
6
A. Otto, Zeitschrift für Physik 216, 398-410 (1968)
x irányban harmonikus megoldás, |z|-ben elhaló:
Diszperziót implicit egyenlet adja meg(z=0 határfeltétel, Hy):
2
21 p
Szabad EG:
Vákuum-szabad elektron gáz határfelület
z-irányban nincs kibocsájtott sugárzás (non-radiative SPW)• felületi töltések fázissebessége:
sin SPWc c v
1
2
nincs csatolás
7
A. Otto, Zeitschrift für Physik 216, 398-410 (1968)
Kell egy köztes határréteg (spacer), melyre:
/1 sin sin SPWs
c c c vn
/1 /2sinp s
c cn n
nincs gerjesztés
SPW-k max fázissebessége, ezt csak a (közvetlenül) felette levő dielektrikum határozza meg
Gerjesztés feltétele:
/2 /1 sins pn n 221
1 1
sin Cnn
gyakorlatban a törésmutatók adottak, és α-t változtatják αc és 90° között
1
2
1
2
gerjeszthető SPW-k
spacer layeres eset
spacer layer nélkül
90
1sin C
8
A. Otto, Zeitschrift für Physik 216, 398-410 (1968)
Konkrét mérési elrendezés (p-polarizált):• p-p mérés• hullámhossz nő => α csökken• d nő rezonanciák keskenyednek• ELM: csillapítások:= sugárzás + belső
van egy dmax, aminél az absz. maximális:
406 5781 5nm nm
fény energiája
rezonancia helyesinp k n
9
Egyéb tulajdonságok:
J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991)
Kretschmann-Raether módszer
Anyagfüggő (zafír prizma, n=0.766)
Optikai Gap
1.00 µm
0.75 µm
0.5 µmλ=632 nm
λ=632 nm
Permittivitás mérhető plazmonokkal
Egyéb tulajdonságok:• mérés feldurvított felületen: lesz olyan Fourier komponense a felületnek, amely becsatolja a kívülről jövő
sugárzást (különböző beesési szögek fordulnak elő) ↔ nehezen reprodukálható• mérés szinuszos rácson: nincs transzláció invariancia → csak a kváziimpulzus marad meg:
• kis amplitúdó: a SPW-k impulzusa nem tér el a sík esethez képest:• átlós irányban hozunk létre SPW-ket• →az elektromos térerősség nem korlátozódik a beesés síkjára: s ↔ p !
J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991)
2x x
g
k be k ki N
2sin SPWg
k k N
p
s
Egyéb tulajdonságok:• mérés feldurvított felületen: lesz olyan Fourier
komponense a felületnek, amely becsatolja a kívülről jövő sugárzást (különböző beesési szögek fordulnak elő) ↔ nehezen reprodukálható
• mérés szinuszos rácson: nincs transzláció invariancia → csak a kváziimpulzus marad meg:
• kis amplitúdó: a SPW-k impulzusa nem tér el a sík esethez képest:
• átlós irányban hozunk létre SPW-ket
J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991)
2x x
g
k be k ki N
2sin SPWg
k k N
Rpp
Rss
Rss
Rpp
p-pol.s-pol.
Rps
Egyéb tulajdonságok:• mérés feldurvított felületen: lesz olyan Fourier
komponense a felületnek, amely becsatolja a kívülről jövő sugárzást (különböző beesési szögek fordulnak elő) ↔ nehezen reprodukálható
• mérés szinuszos rácson: nincs transzláció invariancia → csak a kváziimpulzus marad meg:
• kis amplitúdó: a SPW-k impulzusa nem tér el a sík esethez képest:
• átlós irányban hozunk létre SPW-ket
• →az elektromos térerősség nem korlátozódik a beesés síkjára: s ↔ p !
J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991)
2x x
g
k be k ki N
2sin SPWg
k k N
Alkalmazások13
• dielektromos állandó mérése (főleg kis változások)• kémiai szennyeződés• rétegvastagság (pl. Ag rétegen növesztett szulfid)• szerves rétegek növesztése során in-situ vizsgálat• antigén protein filmek vizsgálata (csak bizonyos antitesteket kötnek meg)• folyadékkristályok elrendeződése• mikroszkópia: fém hordozóra növesztett diel. kis vastagságváltozásai → nagy reflektivitás változás
• magneto-optikai effektus erősítése• elektro-optikai átalakítók, detektorok
• nm skálájú! optikai jelet fókuszálja
Optikai jel Elektromos jel
J. R. Sambles, Contemporary Physics 32, 3, 173-183 (1991)W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)
Felületi plazmonok által erősített magneto-optika:
C. Hermann et al., PRB, 64 235422
Vastag Co (~6nm): easy-axis (z) Vékony Co (~1nm): easy-plane (xy)
Felületi plazmonok által erősített magneto-optika:
C. Hermann et al., PRB, 64 235422
2 2 20 0IR r r r
02 coslinS r r
02 sincircS r r 2
linlin
I
SKR
2
circcirc
I
SKR
Elektro-optikai átalakító16
2.5 µm
40 nm
W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)
Szabad úthossz:
Bragg-reflektor17
W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)
Gap a felületi plazmonok sávszerkezetében:
• Általánosan: optikai vezetőkben többrétegű visszaverő közeg, hullámhossz szelektív fényvisszaverés.
• stopband: λo, Δλ széles sáv• VCSEL (LD)
Lyuk „mátrixok”18
W. L. Barnes, Nature 424, 824 (2003)