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)