Báo cáo công nghệ nano các phân cực plasmon trên bề mặt kim loại điện môi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ====o0o==== BÁO CÁO CÔNG NGHỆ NANO ĐỀ TÀI: CÁC PHÂN CỰC PLASMON TRÊN BỀ MẶT KIM LOẠI – ĐIỆN MƠI GVHD: TS Nguyễn Việt Hưng Nhóm số: 08 DANH SÁCH SINH VIÊN: Họ tên Hoàng Văn Sơn Nguyễn Bá Vũ Trần Bá Bằng Hà Mạnh Lam Phạm Trường Giang MSSV 20153189 20154397 20150277 20152097 20151107 Lớp ĐT05-k60 ĐT02-k60 ĐT07-k60 ĐT07-k60 ĐT03-k60 Hà Nội, 18/11/2019 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt MỤC LỤC I MỞ ĐẦU II NỘI DUNG 1.Lý thuyết Drude – Lorentz khí electron kim loại Các tính chất quang học kim loại 1.1 Lý thuyết Drude – Lorentz khí electron kim loại 1.1.1 Mơ hình cổ điển khí điện tử Drude 1.1.2 Sự dẫn nhiệt khí điện tử 10 1.2 Các tính chất quang học kim loại 12 1.2.1Sự tán xạ hấp thụ hạt nano kim loại 12 1.2.2 Hạt kim loại nhỏ 14 1.2.3 Hạt kim loại lớn 15 2.Các phân cực plasmon bề mặt kim loại - điện môi 16 2.1Plasmon khối - Plasmon bề mặt 16 2.1.1 Plasmon khối 16 2.1.2 Plasmon bề mặt 17 2.1.3 Sự kích thích plasmon ánh sáng 18 2.2 Hệ thức tán sắc SPP tính chất SPP 20 2.3 Ứng dụng SPP truyền dẫn thơng tin linh kiện kích thước nano mét 24 III.THỰC HIỆN MÔ PHỎNG 26 IV KẾT LUẬN 32 V TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt MỞ ĐẦU Xu hướng khoa học ứng dụng tích hợp lại để nghiên cứu đối tượng nhỏ bé có kích thước tiến đến kích thước nguyên tử Hàng ngàn năm trước đây, kể từ nhà bác học cổ Hy Lạp xác lập nguyên tắc khoa học ngành khoa học tập trung thành môn triết học, người ta gọi họ nhà bác học họ biết hầu hết vấn đề khoa học Đối tượng khoa học lúc vật thể vĩ mô Cùng với thời gian, hiểu biết người tăng lên, đó, độ phức tạp gia tăng, khoa học phân theo ngành khác như: Tốn học, Vật lý, Hóa học, Sinh học… để phân tích vật thể cấp độ lớn micromet Sự phân chia kết thúc khoa học lần lại tích hợp với nghiên cứu vật thể cấp độ nanomet Vật liệu nano lĩnh vực nghiên cứu sơi động thời gian gần Tính chất thú vị vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước nhỏ bé Nó nằm tính chất lượng tử nguyên tử tính chất khối vật liệu Đối với vật liệu khối, độ dài tới hạn tính chất nhỏ so với độ lớn vật liệu, vật liệu nano điều khơng nên tính chất khác lạ nguyên nhân Đối với kim loại có kích thước nano chiếu ánh sáng tới, tần số ánh sáng tới tần số dao động plasmon điện tử bề mặt kim loại, xảy tượng cộng hưởng plasmon bề mặt Nhờ tượng này, kim loại kích thước nano ứng dụng lĩnh vực công nghệ sinh học, quang điện tử, quang học… Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, chất vật liệu môi trường xung quanh Để bắt kịp xu phát triển hướng nhiều năm tới, thiết nghĩ hiểu biết vấn đề vô quan trọng Vì chúng em vui nghiên cứu đề tài số 8: “Các phân cực plasmon bề mặt kim loại – điện môi” CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hình 1.1 Các electron chuyển động kim loại Hình 1.2 Chuyển động trung bình có hướng theo phương điện trường Hình 1.3 Độ dẫn điện số kim loại Hình 1.4 Sự phụ thuộc hệ số dẫn nhiệt K vào độ dẫn điện số kim 10 loại Hình1.6: (a) ảnh SEM tinh thể nano thủy tinh; (b) phổ hấp thụ lý 13 thuyết màng mỏng Au (chấm xanh) hạt nano Au kích thước 30nm nước(chấm đỏ) phổ hấp thụ thực nghiệm dung dịch hạt Au (chấm đen) Hình 2.1 Một chùm laser hồng ngoại tập trung lên cánh tay kính hiển vi 16 lực nguyên tử sinh plasmon bề mặt graphene Hình 2.2: a Plasmon khối; b Plasmon bề mặt 16 Hình 2.3 Sự tạo thành dao động plasmon bề mặt hạt nano kim loại 17 Hình 2.4.(a) cấu hình Otto (b) cấu hình Kretschmann 18 Hình 2.5.(a) Sự truyền nhỏ qua hố đơn lẻ (b) Sự truyền lớn qua 19 hệ nhiều hố nửa bước sóng Hình 2.6 Plasmon bề mặt mặt phân cách kim loại vật liệu điện mơi có điện tích kết hợp Hình 2.7 Đường cong tán sắc plasmon bề mặt Ở giá trị k thấp, đường 20 22 cong tán sắc plasmon trùng với đường tán sắc photon Hình 2.8 Minh họa độ xuyên sâu trường plasmon vào kim loại điện mơi 24 Hình 3.1.Bố cục gốc bố cục đơn vị 26 Hình 3.2 Tạo layout xem layout 3D 27 Hình 3.3.VB Script 28 Hình 3.4 Thiết lập mặt phẳng đầu vào 28 Hình 3.5.Thiết lập tham số mơ 3D 29 Hình 3.6 Thực mơ 30 Hình 3.7.Kết mơ tương ứng với kích thước lỗ giống với lý thuyết 31 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt NỘI DUNG I Lý thuyết Drude – Lorentz khí electron kim loại Các tính chất quang học kim loại 1.1 Lý thuyết Drude – Lorentz khí electron kim loại Kim loại gồm ion dương nặng nằm nút mạng electron hóa trị rời khỏi nguyên tử chuyển động tự tinh thể Các electron dẫn điện kim loại hạt cổ điển chuyển động tự “ hộp tinh thể” 1.1.1Mô hình cổ điển khí điện tử Drude Các electron tự kim loại xem hạt chất khí đó, dùng thuyết động học phần tử để mơ tả tính chất với giả thiết sau: - Các điện tử chuyển động bị va chạm - Giữa va chạm điện tử chuyển động tuân theo định luật Newton - Thời gian bay tự trung bình điện tử khơng phụ thuộc vào vị trí vận tốc - Khi va chạm vận tốc điện tử bị thay đổi đột ngột =>cơ chế làm điện tử cân nhiệt với môi trường xung quanh hay trở lại trạng thái cân ngưng ngoại lực tác dụng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khi khơng có điện trường : Các electron chuyển động nhanh thường xuyên thay đổi chiều Hình 1.1 Các electron chuyển động kim loại Khi có điện trường : - Vẫn chuyển động hỗn loạn ( hình 1.1) - Thêm chuyển động trung bình có hướng theo phương điện trường Hình 1.2Chuyển động trung bình có hướng theo phương điện trường Trong điện trường, electron có loại vận tốc : vt(vận tốc nhiệt) vd(vận tốc cuốn) Vì vd Dưới tác dụng lực = vật chuyển động nhanh dần => tăng dần ổn định thì: (1.2)  điện tử chuyển động với vận tốc khơng đổi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Ta có: Mặt khác: (1.3) Trong đó: độ linh động điện tử - Với j ~ A/ - thời gian hồi phục - = nồng độ điện tử , n~ ~ cm/s Nếu coi điện tử tự kim loại khí điện tử vận tốc nhiệt điện tử tính theo cơng thức: (1.4) Ý nghĩa : - có thứ nguyên thời gian đặc trưng cho tốc độ thiết lập cân hệ - coi thời gian trung bình lần va chạm điện tử Hay thời gian tự trung bình điện tử - phụ thuộc vào vận tốc chuyển động nhiệt điện tử , lớn nhỏ - khơng phụ thuộc vào vận tốc điện tử, tức khơng phụ thuộc vào điện trường ngồi Do độ dẫn điện nói chung khơng phụ thuộc vào điện trường ngồi - nhỏ hệ nhiễu loạn trở lại cân nhanh CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt - = Thời gian mà sau giảm e = 2,718 lần, gọi thời gian hồi phục - Bằng thực nghiệm ta đo (dựa vào định luật Ohm) => Quãng đường bay tự trung bình điện tử : Trong đó: ; => Thực nghiệm cho thấy: - Ở nhiệt độ thấp: Đối với tinh thể kim loại tinh khiết độ dẫn điện nhiệt độ thấp lớn nhiệt độ phòng  Các tinh thể kim loại tinh khiết - lớn nhiều kích thước Ở nhiệt độ cao Thực nghiệm cho thấy nhiệt độ cao: Theo lý thuyết cổ điển, nhiệt độ cao:  Thuyết cổ điển không phù hợp với thực nghiệm Kim loại Độ dẫn điện Bạc Đồng Vàng Nhôm Sắt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Đồng thau (70%Cu – 30%Zn) Bạch kim Thép không rỉ Bảng 1.3 Độ dẫn điện số kim loại 1.1.2 Sự dẫn nhiệt khí điện tử Điện tử kim loại vừa hạt tải điện vừa hạt tải nhiệt Lorentz lí thuyết thiết lập cơng thức liên hệ hệ số dẫn điện hệ số dẫn nhiệt K sau: (1.5) Trong đó: L = const = số Lorentz Hình 1.4 Sự phụ thuộc hệ số dẫn nhiệt K vào độ dẫn điện số kim loại : L số 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hình 2.4: (a) cấu hình Otto (b) cấu hình Kretschmann Plasmon bề mặt lan truyền dọc giao diện điện môi-kim loại bị tán xạvà phản xạ khuyết tật chỗ lõm, hố, mép, hay chỗ bị trũngxuống Trong hầu hết thực nghiệm, plasmon bề mặt kích thích khơng cục bộbởi sóng phẳng dị cục kính hiển vi PSTM ( tunneling scanningphoton) kính hiển vi quang học trường gần SNOM Gần đây, người ta quan tâm nhiều đến truyền ánh sáng qua hệ cáchố kích thước nửa bước sóng màng mỏng kim loại chắn sáng Người tacho truyền lớn so với tính tốn lí thuyết hốriêng biệt Hiệu ứng lí thú ứng dụng lọc hiểnthị Sự truyền tăng cường nhờ đóng góp plasmon bề mặt kíchthích ánh sáng tới hệ Các plasmon liên kết với qua hố vàcạnh màng mỏng Tuy nhiên, chất xác tương tác plasmon bềmặt với hố nửa sóng chưa tìm hiểu đầy đủ Hình 2.5:(a) Sự truyền nhỏ qua hố đơn lẻ (b) Sự truyền lớn qua hệ nhiều hố nửa bước sóng 19 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2.2 Hệ thức tán sắc SPP tính chất SPP Xét mặt phân cách hai mơi trường có hàm điện mơi trái dấu, ví dụ kim loại khơng khí Khi có ánh sáng kích thích chiếu tới mặt phân cách gây nên phân bố điện tích bề mặt kim loại Dao động phân bố điện tích sóng plasmon bề mặt truyền dọc theo biên phân cáchkim loại – điện mơi (hình 2.3) Suy lý thuyết điện từ học áp dụng để giải tốn sóng điện từ biên phân cách hai môi trường Xét mặt phân cách hai mơi trường có hàm điện mơi Điện trường sóng điện từ lan truyền biểu diễn cơng thức: Trong đó: k số sóng tần số sóng ánh sáng tới Hình 2.6 Plasmon bề mặt mặt phân cách kim loại vật liệuđiện mơi có điện tích kết hợp 20 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Giải phương trình Maxwell cho sóng điện từ biên phân cách hai vật liệu với số điện mơi (hình 2.3), sử dụng điều kiện biên liên tục điện vectơ điện dịch ta có: Trong đó: - c tốc độ ánh sáng chân không biên phân cách cho sóng bề mặt - Từ hai phương trình (2.1) (2.2) ta có mối quan hệ tán sắc cho sóng lan truyền bề mặt là: Trong mơ hình khí điện tử tự do, bỏ qua suy giảm hàm điện môi kim loại cho : Trong với tần số plasmon kim loại khối, có biểu thức đơn vị SI là: mật độ điện tích, e điện tích điện tử, m* khối lượng hiệudụng điện tử số điện môi chân không Ở giá trị vectơ sóng nhỏ, SPP thể giống photon, k tăng, đường cong tán 21 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt sắc bị uốn cong đạt tới giới hạn tiệm cận tới tần số plasmon kim loại khối Tần số plasmon cho bởi: Trong trường hợp mơi trường điện mơi khơng khí bề mặt kim loại, ta có: Hình 2.7 Đường cong tán sắc plasmon bề mặt Ở giá trị k thấp, đường cong tán sắc plasmon trùng với đường tán sắc photon Từ công thức (2.3) hình (2.5) ta thấy với tần số, giá trị vectơ sóng plasmon lớn so với giá trị vectơ sóng photon tự Do chênh lệch vectơ sóng này, sóng plasmon lan truyền bề mặt phân cách hai môi trường Để sóng plasmon lan truyền trường xa qua biên phân cách, cần phải để có phù hợp vectơ sóng plasmon photon tự 22 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Xét mặt phân cách kim loại điện mơi ta có thực > < (là điều kiện kim loại thỏa mãn) Sóng điện từ qua kim loại bị suy hao mát ohmic tương tác điện tử vàlõi ion Các hiệu ứng cho thấy có thành phần ảo hàm điện mơi Hàm điện môi kim loại biểu diễn: Trong Nói chung phần thực ảo hàm điện môi, tương ứng , biểu thức số sóng mặt phân cách plasmon biểu diễn sau: Biểu thức vectơ sóng cho ta ý nghĩa vật lý sóng điện từ kim loại độlớn không gian plasmon yêu cầu để có kết hợp vectơ sóng mặt phân cách Đối với sóng SPP lan truyền dọc theo bề mặt kim loại, lượng bị hấp thụ kim loại bị xạ vào không gian tự Tại khoảng cách x, cường độ sóng plasmon giảm theo hệ số Độ dài lan truyền plasmon định nghĩa khoảng cách mà sóng plasmon có cường độ giảm e lần, cho công thức: Tương tự vậy, điện trường giảm cách nhanh chóng theo chiều vng góc với bề mặt kim loại Ở tần số thấp, thâm nhập SPP vào kim loại gần với công thức độ xuyên sâu trường vào kim loại Trong môi trường điện môi, trường giảm chậm nhiều Độ xuyên sâu trường plasmon vào kim loại điện môi biểu diễn theo công thức: 23 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Độ xuyên sâu trường plasmon vào kim loại điện mơi biểu diễn hình2.5 Hình 2.8 Minh họa độ xuyên sâu trường plasmon vào kim loại điện môi 2.3 Ứng dụng SPP truyền dẫn thơng tin linh kiện kích thước nano mét Các kích thích plasmon bề mặt thường sử dụng phương pháp thực nghiệm gọi cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR).Trong SPR, kích thích tối đa plasmon bề mặt phát cách theo dõi sức phản xạ từ nối lăng kính,nó phụ thuộc vào góc tới hay bước sóng Kỹ thuật sử dụng để quan sát nanometer thay đổi độ dày, mật độ biến động, phântử hấp phụ 24 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Mạch dựa sở bề mặt plasmon đề xuất phương tiện để khắc phục hạn chế kích thước mạch quang tử để sử dụng hoạt động xử lý liệu cao thiết bị nano Khả để tự động kiểm sốt thuộc tính plasmon vật liệu dành cho thiết bị nano chìa khóa cho phát triển họ Một cách tiếp cận sử dụng plasmon-plasmon tương tác chứng minh gần Cộng hưởng lượng lớn plasmon tạo bị khử để điều khiển việc truyền ánh sáng Cách tiếp cận cho thấy tiềm cho điều khiển ánh sáng kích thước nano phát triển điều biến CMOS tương thích đầy đủ Plasmon quang-điện CMOS tương thích điều biến quang điện plasmon thành phần chủ chốt mạch quy mô chip quang tử Trong hệ hài bậc hai bề mặt, tín hiệu hài bậc hai tỷ lệ thuận với bình phương điện trường Điện trường mạnh giao diện plasmon bề mặt dẫn đến hiệu ứng quang học phi tuyến tính Tín hiệu lớn thường khai thác để sản xuất tín hiệu mạnh hài bậc hai Bước sóng cường độ đỉnh plasmon liên quan đến hấp thụ phát thải bị ảnh hưởng phân tử hấp phụ sử dụng cảm biến phân tử Ví dụ, thiết bị nguyên mẫu hoạt động đầy đủ, phát casein sữa chế tạo Thiết bị dựa theo dõi thay đổi liên quan đến plasmon hấp thụ ánh sáng lớp vàng 25 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt III THỰC HIỆN MÔ PHỎNG GIỚI THIỆU Nội dung mơ sau “Mơ bước sóng lỗ phụ màng kim loại” Nhìn chung, người ta chấp nhận việc truyền nâng cao trung gian phân cực bề mặt plasmon (SPP) thể cộng hưởng thiết lập tính tuần hồn mảng Chúng ta tính tốn truyền qua lỗ bước sóng phụ màng kim loại vàng đặt chất SiO2 Sóng Plasmon bề mặt (là kết dãy lỗi có chu kỳ) tăng cường truyền tải vùng bước sóng định Kết mơ so sánh với kết thí nghiệm xuất K L van der Molen Các bố cục ban đầu thể hình 2.1 Đây mảng lỗ khơng khí vng có chu kỳ tạo phương pháp phay ion màng Au dày quang học (200nm) lắng đọng thủy tinh Tất mảng điều tra có chu kỳ 425 nm Chiều rộng lỗ vuông đa dạng (148nm, 165nm, 187nm, 196nm, 231nm, 247nm, 286nm) Trong mô này, đầu vào ban đầu sóng phẳng truyền theo hướng z, cần chọn đơn vị cho mô với ranh giới x y đặt PBC Điều 26 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt tiết kiệm thời gian mơ Hình 3.1 Bố cục gốc bố cục đơn vị THIẾT LẬP 2.1 Tạo Layout Ở bước này, tạo file thiết kế cách thiết lập “Profile and Materials” để thiết lập kích thước, chất liệu lớp vật liệu mơ hình 3D, vẽ thiết lập thơng số lớp để tạo mơ hình 3D thể rõ lớp vật liệu kích thước Hình 3.2 Tạo layout xem layout 3D 2.2 VB Script Ở bên độ rộng lỗ đặt với giá trị biến cố định, VB script sử dụng để quét giá trị biến Trong mô sử dụng giá trị cho biến để mô cách tạo VB script 27 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hình 3.3 VB Script 2.3 Sóng đầu vào Được định nghĩa Input Plane 28 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hình 3.4 Thiết lập mặt phẳng đầu vào 2.4 Tham số mơ Hình 3.5 Thiết lập tham số mơ 3D 29 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt THỰC HIỆN MƠ PHỎNG Q trình thực mơ thể hình 30 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hình 3.6 Thực mô KẾT QUẢ Sau kết thúc trình mơ phỏng, xuất file phổ lượng Ghép đồ thị lại 2D viewer ta đồ thị với đường đại diện cho phổ lượng truyền tải 31 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hình 3.7 Kết mơ tương ứng kích thước lỗ giống với lý thuyết KẾT LUẬN Sau thực tâp lớn môn công nghệ nano đề tài “Các phân cực plasmon bề mặt kim loại – điện mơi’, em tìm hiểu số u cầu sau: - Lý thuyết Drude – Lorentz khí electron kim loại Các tính chất quang họccơ kim loại - Khái niệm plasmon khối plasmon bề mặt - Khái niệm phân cực plasmon bề mặt (SPP) Các phương pháp kích thích SPP trênbề mặt tiếp xúc hệ Kim loại – Điện môi - Hệ thức tán sắc SPP tính chất SPP - Ứng dụng SPP truyền dẫn thơng tin linh kiện kích thước nanomét - Thực hành: Thực lại phép mơ Ví dụ 2, Chương 15 “Tutorials”của “Documentations” phần mềm OptiFDTD Tuy nhiên, số vấn đề mà em chưa thể giải chưa hiểu hết nội dung yêu cầu,thiếu sót số nội dung Em mong thầy giải đáp Em xin chân thành cảm ơn 32 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Documentations phần mềm OptiFDTD tài liệu Website phần mềm [2] D Joannopoulos, S Johnson, Photonic Crystals-Molding the flow of light, Princeton University Press [3] S P Gaponenko, Introduction to Nanophotonics, Cambridge University Press [4] S A Maier, Plasmonics: Fundamentals and Applications, InTech [5] K L van der Molen,Influence of hole size on the extraordinary transmission through subwavelength hole arrays, 2004 American Institute of Physics [6] Sử dụng Wikipedia nhiều tài liệu khác mạng 33 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... ngữ plasmon plasmon bề mặt sử dụng để mô tả dao động tập thể điện tử kim loại Plasmon có ý nghĩa điện tử tự di chuyển kim loại theo cách thức tương tự ion plasmon khí Phân cực plasmon bề mặt. .. lớn môn công nghệ nano đề tài ? ?Các phân cực plasmon bề mặt kim loại – điện môi? ??, em tìm hiểu số yêu cầu sau: - Lý thuyết Drude – Lorentz khí electron kim loại Các tính chất quang họccơ kim loại. .. mặt phân cách hai mơi trường có hàm điện mơi trái dấu, ví dụ kim loại khơng khí Khi có ánh sáng kích thích chiếu tới mặt phân cách gây nên phân bố điện tích bề mặt kim loại Dao động phân bố điện