1.2 .Một số tính chất và ứng dụng của vật liệu plasmonics
1.2.3. Một số ứng dụng của vật liệu plasmonics
Các cấu trúc plasmonics đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau. Ở đây, chúng tôi xin liệt kê một số ứng dụng tiêu biểu của chúng:
- Tán xạ Raman bề mặt tăng cường (SERS): Tán xạ Raman đóng một vai trị quan trọng trong việc xác định năng lượng dao động của các liên kết hố học (từ đó xác định sự có mặt của các thành phần hố học trong hỗn hợp). Tuy nhiên xác suất
tán xạ Raman lại rất thấp (khoảng dưới 10 -6) khiến cho việc ứng dụng của nó là rất
hạn chế. Việc tích hợp cấu trúc plasmonics đã làm tăng xác suất tán xạ Raman lên hàng triệu lần, thậm chí hàng tỉ lần đã giúp cho các thiết bị phân tích Raman ngày càng hữu dụng hơn trong việc phân tích vật liệu.
- Cảm biến và tạo ảnh sinh học (Bio-imaging and sensing): Đánh dấu và phân tích các tế bào đơn lẻ đóng vai trị quan trọng trong việc điều trị ung thư hay theo dõi
sự phát triển của bào thai [29]. Các thuốc nhuộm hữu cơ hay chấm lượng tử quang học đã được sử dụng cho mục đích này, tuy nhiên chúng khơng bền và nhiều loại có độc tính vì vậy cần phải có vật liệu khác để thay thế chúng. Các hạt nano kim loại plasmon như vàng hay bạc có thể được xem như là những ứng viên hồn hảo cho việc thay thế chúng.
- Kính hiển vi quang học quét trường gần (Surface plasmon scanning near- field optical microscopy) [30]. Kính hiển vi quang học đóng vai trị quan trọng trong việc quan sát hình ảnh của những vật thể nhỏ. Nhưng do hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ, khiến các kính hiển vi quang học bị hạn chế về độ phân giải vì chúng phụ thuộc vào một nửa bước sóng ánh sáng. Việc ứng dụng các hạt nano Ag và hiện tượng cộng hưởng plasmon của nó làm đầu dị dẫn đến độ phân giải của kính chỉ phụ thuộc vào kích thước của đầu dị nên đã đưa được độ phân giải của các kính hiển vi này xuống kích cỡ nano mét.
- Quang khắc plasmonics (plamonic lithography) [31]: Kỹ thuật quang khắc Plasmonic đã nhận được sự chú ý rộng rãi vừa là một ứng cử viên tiềm năng cho kỹ thuật quang khắc thế hệ tiếp theo vừa là một thử nghiệm thú vị để kiểm tra các giới hạn độ phân giải cơ bản của hình ảnh quang học và tạo mẫu. Do việc ứng dụng các trường gần phát sáng có chứa thơng tin tần số cao, các kỹ thuật quang khắc dựa trên plasmon bề mặt có thể phá vỡ giới hạn nhiễu xạ trong quang khắc thông thường; độ phân giải xuống khoảng 20 nm bằng cách sử dụng ánh sáng khả kiến đã được chứng minh bằng thực nghiệm, và các nghiên cứu lý thuyết đã phân tích các phương pháp có tiềm năng tạo ra các vật liệu nano với độ phân giải dưới 10 nm.
- Ăng ten kích cỡ nano (nano antenna): Bởi vì các hạt nano kim loại có khả năng hấp thụ và bức xạ mạnh trường điện từ, nên chúng có thể hoạt động như các nano antenna.
- Laze kích cỡ nano (nanolaser): Plasmonic nanolasers là một loại thiết bị laser mới với kích thước tính năng tương đương với các thiết bị điện tử được ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau, từ kết nối quang học trên chip, cảm biến và phát hiện, đến ghi nhãn và theo dõi sinh học.
- Huỳnh quang tăng cường plasmon (plasmon enhance fluorescence) [32]: Đối với các hạt nano kim loại plasmon, tiết diện dập tắt hoàn toàn (hấp thụ + tán xạ) có thể cao hơn vài bậc độ lớn so với sự huỳnh quang phân tử. Kích thích plasmon cung
cấp các trường quang học nâng cao trong vùng lân cận của các cấu trúc nano kim loại, và các trường cục bộ cao này làm phong phú thêm quang phổ với các khả năng mới cho các quá trình điều khiển bởi photon. Cường độ quang phổ tăng cường quan sát được được cho là do tăng cường trường định xứ liên quan đến sự kích thích cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ (LSPR) trong cấu trúc nano kim loại có thể làm tăng tiết diện hấp thụ và phát xạ của mẫu. Quan trọng nhất, sự kết hợp giữa các tần số phát ra bởi huỳnh quang phân tử và sự cộng hưởng của hạt kim loại có thể làm cho kim loại bức xạ ánh sáng (với cường độ tăng cường) cùng tần số (tán xạ đàn hồi) với tần số phát quang do phân tử huỳnh quang phát ra. Điều đó khiến cho khả năng huỳnh quang được tăng cường.
- Pin mặt trời plasmonics (plasmonic solar cells): Pin mặt trời là một trong các ứng dụng tiêu biểu của hiệu ứng cộng hưởng plasmon, là mục tiêu nghiên cứu của luận án này và sẽ được trình bày chi tiết riêng trong phần tiếp theo.