Đang tải... (xem toàn văn)
Khả năng kích thích cộng hưởng plasmon bề mặt của các kim loại Pd, Ti và Cr đã được bài viết đánh giá theo bước sóng kích thích. Kết quả tính toán lí thuyết dựa trên sóng ánh sáng phân cực p lan truyền dọc theo bề mặt kim loại được sử dụng để lí giải các yếu tố ảnh hưởng đến sự tồn tại sóng cộng hưởng plasmon.
UED Journal of Social Sciences, Humanities & Education – ISSN 1859 - 4603 TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KÍCH THÍCH CỘNG HƯỞNG PLASMON Nhận bài: 08 – 07 – 2017 Chấp nhận đăng: 28 – 09 – 2017 http://jshe.ued.udn.vn/ CỦA CÁC KIM LOẠI Pd, Ti VÀ Cr Ngô Khoa Quanga*, Lê Ngọc Minhb Tóm tắt: Khả kích thích cộng hưởng plasmon bề mặt kim loại Pd, Ti Cr đánh giá theo bước sóng kích thích Kết tính tốn lí thuyết dựa sóng ánh sáng phân cực p lan truyền dọc theo bề mặt kim loại sử dụng để lí giải yếu tố ảnh hưởng đến tồn sóng cộng hưởng plasmon Chiều dài lan truyền chiều dài suy giảm cường độ điện trường sóng cộng hưởng plasmon theo phương song song vng góc với bề mặt kim loại khảo sát chi tiết Chúng tơi nhận thấy q trình kích thích cộng hưởng plasmon đạt hiệu cao bước sóng ánh sáng sử dụng nằm khoảng từ 600 nm đến 1200 nm Kết nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng cho ứng dụng liên quan đến cơng nghệ plasmonic chip Từ khóa: Cộng hưởng plasmon; kim loại chuyển tiếp; Pd; Ti; Cr Giới thiệu Khi xạ điện từ chiếu lên bề mặt kim loại, điện tử tự bề mặt kim loại bị kích thích dao động tần số xác định Nếu tần số dao động xạ điện từ kết hợp với tần số dao động riêng điện tử, tượng cộng hưởng plasmon xảy [1] Khi đó, sóng điện từ bị giam giữ lan truyền mặt tiếp xúc kim loại môi trường điện môi (hoặc khơng khí), đồng thời mật độ trường điện tăng cường số vị trí xác định xung quanh bề mặt kim loại [2] Tính chất lí thú vật liệu kim loại nghiên cứu ứng dụng chế tạo cảm biến có ngưỡng phát thấp, thấu kính có độ hội tụ cao [3, 4, 5] Trong lĩnh vực điện điện tử, thu nhỏ kích thước hình học mạch tích hợp vào cỡ nano mét đặt yêu cầu cấp thiết đòi hỏi người làm nghiên cứu phải tìm phương thức truyền dẫn tín hiệu phù hợp Khi kích thước bị giới hạn khoảng vài nano mét, q trình truyền dẫn thơng tin tín hiệu điện a,bTrường Đại học Khoa học - Đại học Huế * Liên hệ tác giả Ngô Khoa Quang Email: khoaquang@gmail.com hay tín hiệu quang bị hạn chế quy luật vật lý tán xạ điện tử hay nhiễu xạ ánh sáng [6-9] Công nghệ truyền dẫn tín hiệu sử dụng hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt giải pháp để khắc phục khó khăn [9] Trong đó, vàng bạc xem hai vật liệu sử dụng phổ biến Tuy nhiên, bước đầu tính tốn lí thuyết chúng tơi cho thấy kim loại Pd, Ti, hay Cr có tính khả thi cao việc kích thích cộng hưởng plasmon Đồng thời, để chế tạo màng dẫn sóng cộng hưởng plasmon kích thước nano, độ dày màng phủ phải mỏng độ gồ ghề màng phủ phải giới hạn cho phép Các kim loại Pd, Ti, hay Cr thỏa mãn đầy đủ yêu cầu [10] Vì việc khảo sát đặc tính cộng hưởng plasmon kim loại cần thiết Trong báo này, chúng tơi trình bày kết tính tốn lí thuyết dựa mơ hình tượng luận xây dựng Trong đó, sóng ánh sáng phân cực p sử dụng để lí giải q trình kích thích cộng hưởng plasmon bề mặt kim loại Pd, Ti Cr Kết tính tốn q trình kích thích cộng hưởng plasmon khảo sát bước sóng ánh sáng kích thích nằm vùng từ khoảng 400 nm đến 1200 nm Kết đánh giá bước đầu khả kích thích cộng hưởng plasmon Pd, Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 7, số (2017), 39-43 | 39 Ngô Khoa Quang, Lê Ngọc Minh Ti Cr có ý nghĩa quan trọng cho ứng dụng liên quan đến công nghệ plasmonic chip [9] ki = i → ki2 = i = kix2 + kiz2 c c (5) Cơ sở lí thuyết phương pháp nghiên cứu Mơ hình lí thuyết dựa tài liệu tham khảo [11] sử dụng để tính tốn Trong Hình 1, sóng ánh sáng phân cực p sử dụng để kích thích trình lan truyền sóng plasmon bề mặt tiếp xúc kim loại (mơi trường 2) khơng khí (mơi trường ur 1) Thành phần vectơ cường độ điện trường E dao động hai miền khơng gian mơ tả sau: E jx uur ( k x −t ) ik jz x Ei = e jz e , i = 1, E jz (1) Áp dụng điều kiện biên cho vectơ cường độ điện ur uur trường E vectơ điện cảm D ta có: → k x2 + kiz2 = i = i k c (6) Điều kiện từ định luật Gauss điện trường dẫn đến: uur .D = E jx i ( k jx −t ) ik jz z e e =0 E jz (ik jx E jx + ik jz E jz ) ei(k jx x −t )eik jz z = E1x = E2 x (2) k jx E jx + k jz E jz 1 E1z = E2 z (3) Để hệ (2), (3), (4) (7) tồn nghiệm ta có: kx −1 0 1 k1z kx 0 − =0 k2 z ( 2k1z − 1k2 z ) kx = (7) (8) (9) Nếu k x = không tồn sóng plasmon bề Hình Sóng ánh sánh phân cực p chiếu từ môi trường không khí (mơi trường 1) đến bề mặt kim loại (môi trường 2) r Tại hai miền không gian, thành phần vectơ sóng k song song với bề mặt tiếp xúc khơng khí kim loại bảo tồn, [11]: k1x = k2 x 40 (4) mặt kim loại, vậy: k1z − 1k2 z = (10) Kết hợp kết từ (5), (6) (10) có [11]: ISSN 1859 - 4603 - Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 7, số (2017), 39-43 k x2 = 12 = 1 + c kiz2 c − 1 c 2 1 − Ta thấy phần thực k x vectơ sóng trì (11) i2 = 1 + c q trình lan truyền sóng cộng hưởng plasmon, phần ảo k x làm dập tắt trình lan truyền Vì vậy, để sóng cộng hưởng plasmon tồn bề mặt kim loại, thành phần k x vectơ sóng phải có giá trị bé Theo tiêu chuẩn đánh giá đề xuất Sambles, J R., tỉ số: (12) Quá trình lan truyền điều kiện để tồn sóng cộng hưởng plasmon bề mặt kim loại xác định dựa việc đánh giá thành phần song song (cơng thức (11)) vng góc (cơng thức (12)) r vectơ sóng k Kết đánh giá 3.1 Kết Như biết, số điện môi kim loại gồm có hai thành phần, phần thực phần ảo biểu diễn sau: = 2 + i 2 f = 1 k x = Im + k0 (16) phải có giá trị nhỏ 0,1 q trình kích thích cộng hưởng plasmon đạt hiệu cao [12] Tiêu chí áp dụng để tính tốn số f cho kim loại Au, Ag, Pd, Ti Cr Số liệu từ hai kim loại Au Ag sử dụng làm giá trị tham chiếu Kết tính tốn số f Pd, Ti Cr mô tả Hình 2, giá trị hàm chiết suất kim loại phụ thuộc vào bước sóng trích dẫn từ tài liệu tham khảo [10] (13) Thành phần vectơ sóng lan truyền dọc theo bề mặt kim loại viết lại: 1 k x2 = = k x + ik x c 1 + (14) Kết hợp phương trình (1) (14) ta có: E jx uur i ( k + ik ) x −t ikiz x Ei = e x x e E jz E jx ( ik '− k ") x −it ikiz x = e x x e E jz (15) Hình (a) Kết tính tốn số f cho Au, Ag, Pd, Ti Cr (b) Kết tính tốn số f Pd, Ti, Cr vẽ khoảng từ đến 0,02 41 Ngô Khoa Quang, Lê Ngọc Minh sóng plasmon bề mặt kim loại theo phương z ( d z ) tính tốn từ cơng thức (1) (12), phần ảo k z vectơ sóng ngun nhân gây suy giảm điện trường phương z Hình mơ tả phụ thuộc d z theo bước sóng, trục tung vị trí giá trị cường độ điện trường bị giảm e lần 3.2 Đánh giá Số liệu tính tốn, mơ tả Hình sử dụng để đánh giá khả kích thích cộng hưởng plasmon bề mặt cho kim loại Pd, Ti Cr Quan sát Hình 2a thấy số f Au Ag có giá trị nhỏ Pd, Ti Cr Giá trị tính tốn hồn tồn phù hợp với kết thực nghiệm Au Ag xem hai kim loại có tính chất plasmonic mạnh [13, 14] Đối với Pd, Ti Cr, f có giá trị nhỏ vùng ánh sáng hồng ngoại phần thuộc vùng phổ khả kiến có giá trị lớn vùng tử ngoại Điều kiện giá trị số f thỏa mãn tiêu chuẩn mơ tả phương trình (16) Q trình kích thích cộng hưởng plasmon cho kim loại Pd, Ti Cr hồn tồn vùng bước sóng từ 600 nm đến 1200 nm Hình (a) Kết tính tốn chiều dài lan truyền sóng cộng hưởng plasmon theo phương x kim loại Pd, Ti Cr (b) Kết tính tốn chiều dài suy giảm điện trường sóng cộng hưởng plasmon theo phương z kim loại Pd, Ti Cr Nhân tố thứ hai đóng vai trị quan trọng xét đến tính ứng dụng vật liệu plasmonics chiều dài lan truyền chiều dài suy giảm vectơ cường độ điện trường sóng cộng hưởng plasmon tương ứng theo phương x phương z [11] Nếu định nghĩa chiều dài lan truyền sóng cộng hưởng plasmon bề mặt theo phương x (ký hiệu d x ) khoảng cách mà cường độ điện trường bị giảm e lần, từ công thức (14) dẫn đến: dx = = k x Im c 1 1 + (17) Để đánh giá chiều dài lan truyền chiều dài suy giảm cường độ điện trường sóng plasmon, kết tính tốn Hình sử dụng để lí giải giá trị d x d z Quan sát Hình 3a thấy phụ thuộc d x vào bước sóng ánh sáng kích thích Chiều dài lan truyền chiều dài suy giảm cường độ điện trường sóng plasmon có giá trị nhỏ vùng bước sóng ngắn tăng dần đến vùng bước sóng dài Kết tính tốn mơ tả Hình 3b cho thấy sóng cộng hưởng plasmon dao động giới hạn vùng không gian nhỏ từ 10 nm đến 40 nm dọc theo bề mặt kim loại Trong vùng bước sóng từ 400 nm đến 1200 nm, giá trị d x Pd Ti lớn Cr giá trị d z Cr lớn Pd Ti Ngun nhân khác lí giải từ phần ảo vectơ sóng k x k z mà tham số ảnh hưởng trực tiếp hàm điện môi ε (λ) kim loại Kết luận Kết tính tốn giá trị d x kim loại Pd, Ti Cr phụ thuộc vào bước sóng mơ tả Hình Tương tự, chiều dài suy giảm cường độ điện trường 42 Chúng tơi khảo sát tính tốn lí thuyết cách chi tiết khả kích thích cộng hưởng plasmon bề mặt cho kim loại có tính dính ướt gồm ISSN 1859 - 4603 - Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 7, số (2017), 39-43 có Pd, Ti Cr Q trình kích thích cộng hưởng plasmon đạt hiệu cao ánh sáng nằm vùng hồng ngoại gần phần thuộc vùng phổ khả kiến hay có bước sóng từ 600 nm đến 1200 nm Chiều dài lan truyền chiều dài suy giảm điện trường sóng plasmon phụ thuộc mạnh vào kim loại lựa chọn Pd Ti hay Cr Trong đó, yếu tố ảnh hưởng trực tiếp phụ thuộc hàm điện môi ε(λ) kim loại theo bước sóng Vì vậy, thay đổi giá trị hàm điện mơi, hay nói cách khác sử dụng hợp kim với tỉ lệ thành phần kim loại thay đổi, hồn tồn điều chỉnh giá trị d x d z Tài liệu tham khảo [1] Maier, S A (2007) Plasmonics: Fundamentals and Applications Springer Science [2] Valev, V K (2012) Characterization of nanostructured plasmonic surfaces with second harmonic generation Langmuir, 28, 15454-15471 [3] Cai, W., Chettiar, U K., Kildishev A V and Shalaev V M (2007) Optical cloaking with metamaterials Nat Photonics, 1(4), 224-227 [4] Liu, N., Tang, M L., Hentschel, M., Giessen, H and Alivisatos, A P (2011) Nanoantennaenhanced gas sensing in a single tailored nanofocus Nat Mater, 10, 631-636 [5] Pendry, J B (2000) Negative refraction makes a perfect lens Phys Rev Lett, 85, 3966-3969 [6] Wang, T., Narayanan, P., Leuchtenburg, M and Moritz, C A (2008) A nanoscale fabric for nanoscale microprocessors C.A Nanoelectronics Conference (2nd IEEE International), 989-994 [7] Ozbay, E (2006) Plasmonics: merging photonics and electronics at nanoscale dimensions Science 13, 189-193 [8] Srivastava, N and Banerjee, K (2004) Interconnect challenges for nanoscale electronic circuits JOM 56, 30-31 [9] Zia, R., Schuller, J A., Chandran, A and Brongersma, M L (2006) Plasmonics: the next chipscale technology Materialstoday, 9(7), 20-27 [10] Rakic, A D., Djurišic, A B., Elazar, J M and Majewski M L (1998) Optical properties of metallic films for vertical-cavity optoelectronic devices Appl Opt 37, 5271-5283 [11] Novotny, L and Hecht, B (2006) Principles of Nano-Optics Cambridge University Press [12] Sambles, J R., Bradbery, G W and Yang, F (1991) Optical excitation of surface plasmons: An introduction Contemp Phys 32, 173-183 [13] Sukharev, M., Sung, J., Spears, K G and Seideman, T (2007) Optical properties of metal nanoparticles with no center of inversion symmetry: Observation of volume plasmons Phys Rev B 76, 184302-1-184302-5 [14] Husu, H., Mäkitalo, J., Laukkanen, J., Kuittinen, M and Kauranen, M (2010) Particle plasmon resonances in L-shaped gold nanoparticles Opt Express 18, 16601-16606 EVALUATION OF PLASMON RESONANCE STIMULATION OF METALS Pd, Ti AND Cr Abstract: We have evaluated the plasmon resonance stimulation capability of the metals Pd, Ti and Cr under different wavelengths The theoretical calculation results based on the p-polarized light spreading along the metal surface was employed to clarify elements that influence the existence of stimulation of plasmon resonance waves We have also examined in detail the speading distance and the decay length of the electric field amplitude in the directions that are parallel and perpendicular with the surface of the metal under study We have found that the plasmon resonance stimulation reached a high level of efficiency when the wavelength in use ranged from 600 nm to 1200 nm The findings of the research are of important significance to applications related to the plasmonic chip technology Key words: plasmon resonance; wet and sticky metals; Pd; Ti; Cr 43 ... tung vị trí giá trị cường độ điện trường bị giảm e lần 3.2 Đánh giá Số liệu tính tốn, mơ tả Hình sử dụng để đánh giá khả kích thích cộng hưởng plasmon bề mặt cho kim loại Pd, Ti Cr Quan sát Hình... dài lan truyền sóng cộng hưởng plasmon theo phương x kim loại Pd, Ti Cr (b) Kết tính tốn chiều dài suy giảm điện trường sóng cộng hưởng plasmon theo phương z kim loại Pd, Ti Cr Nhân tố thứ hai... phải có giá trị nhỏ 0,1 q trình kích thích cộng hưởng plasmon đạt hiệu cao [12] Ti? ?u chí áp dụng để tính tốn số f cho kim loại Au, Ag, Pd, Ti Cr Số liệu từ hai kim loại Au Ag sử dụng làm giá trị