5.5.1.Hiệu ứng Spin-plasmonic
Gần đây các nhà khoa học đã chứng minh rằng spin điện tử có thểảnh hưởng đến sự truyền sáng trường gần thông qua một đám vi hạt lưỡng kim sắt từ/không từ tính kích thước nhỏ hơn bước sóng. Đặc biệt các hạt sắt từ được bọc bởi các màng nano không từ tính thể hiện khả năng làm suy giảm độ truyền qua sóng điện từđược điều khiển bởi từ trường. Cơ chế này liên quan đến động học tích lũy spin điện tử cảm ứng điện từ trong phần không từ tính. Việc phát hiện ra hiện tượng spin điện tử liên quan đến tương tác của ánh sáng với hạt kim loại mở ra khả năng liên kết lĩnh vực spintronics với công nghệ plasmonic nhằm phát triển các linh kiện quang khai thác trạng thái spin điện tử. Tập hợp các vi hạt kim loại kích thước nhỏ hơn bước sóng thể hiện khả năng truyền qua sóng điện từ cao do ghép nối dipole- dipole trường gần mạnh giữa các hạt gần nhau . Môi trường như vậy thể hiện thuộc tính quang học nhạy với các đặc trưng điện từ của hạt bởi vì sự truyền điện từ qua tập hợp hạt đậm đặc được trung bình bởi trường lưỡng cực liên kết với điện tích bề mặt cảm ứng. (Plasmon hạt không cộng hưởng). Hiên tượng mới và thú vị hơn khi một màng mỏng vật liệu không từ tính (N) phủ lên các hạt sắt từ (F) có thể làm tăng mạnh khả năng điều biến độ truyền qua của các hạt dưới tác dụng của từ trường. Tập hợp các hạt F chưa bọc thể hiện độ hấp thụ phụ thuộc từ trường do từ trở bất đẳng hướng (AMR)[]. Hiệu ứng từ của các hạt F có bọc N sẽ khác đi do sự phụ thuôc vào định hướng của trường và độ hấp thụ lớn hơn một bậc. Sự tăng cường đáng kể khả năng điều biến từ của các hạt F bọc N có nguồn gốc từ hiệu ứng phụ thuộc spin của lớp không từ tính. Điện tích phân cực spin được dẫn bởi trường điện từ tới qua giao diện F/N trong khoảng thời gian xấp xỉ thời gian hồi phục spin trong lớp N như là một dòng phân cực spin cục bộ dẫn đến tích lũy spin không cân bằng trong N và tạo ra điện trở giao diện phụ thuộc trường.(hình 5.13)
126
Hình 5.13. Cơ chế hiệu ứng spin-plasmonic; Khi các vi hạt này được đặt trong từ trường ngoài, các electron trong các hạt coban bị phân cực spin
Một ví dụ cụ thể về hiệu ứng Spin-Plasmonic đã được K. J. Chau, Mark Johnson và A.Y. Elezzabi , đại học Alberta, Edmonton, Alberta, Canada công bố gần đây.[32]
Để nghiên cứu hiện tượng photonic phụ thuộc spin người ta đã sử dụng các hạt F/N gồm các hạt Co phủ một phần bởi các lớp Au. Các lớp độ dày 45nm được phún xạ lên các hạt Co cho kích thước tổng cộng từ 40 đến 140µm và kích thước trung bình là 74µm
Khi chiếu ánh sáng trong dải tần số terahertz lên các vi hạt F/N (Co/Au), điện từ trường của ánh sáng sẽ lái một số electron bị phân cực spin từ F (coban) sang phần N (vàng) phủ ngoài (hình 5.13), gây ra sự suy giảm biên độ và dịch pha đối với sóng ở đầu ra. Hiện tượng này còn dẫn đến làm xuất hiện điện trở giữa vàng và coban (từ trở dị hướng AMR)
Hình 5.14 a-Minh họa sự truyền ghép nối lưỡng cực-lưỡng cực qua chuỗi hạt Co/Au. Tích lũy spin ở giao diện F/N làm sinh ra điện trở giao diện điều biến bởi từ trường
127
5.5.2. Khảo sát hiệu ứng từ quang trên màng mỏng lưỡng kim Co/Al2O3 và Co/Ag.
Công nghệ Plasmon và công nghệ Spin đã được kết hợp với nhau để trở thành một lĩnh vực khoa học công nghệ mới đó là Spin-plasmonics. Đây là một lĩnh vực này hoàn toàn mới trên thế giới cũng như ở Việt nam. Bắt nhịp được với hướng nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu Spintronics của Viện ITMS đã nghiên cứu chế tạo các màng mỏng vật liệu lưỡng kim Co/Al2O3 và Co/Ag. Sử dụng hệ đo từ quang đã xây dựng chúng tôi đã khảo sát hiệu ứng Spin-Plasmonic trên vật liệu màng mỏng lưỡng kim Co/Al2O3 và Co/Ag
Các mẫu màng mỏng từ lưỡng kim Co/Al2O3 và Co/Ag.
Hiện nay màng mỏng có rất nhiều loại màng mỏng từ khác nhau như Co/Au, Co/Al2O3, Co/Ag . Chúng tôi sử dụng màng mỏng kích thước nano với thành phần Co/Al2O3 và Co/Ag do nhóm nghiên cứu ITIMS đã chế tạo.
Hình 5.15: Ảnh SEM và ảnh TEM của mẫu màng mỏng lưỡng kim Co/Al2O3
và Co/Ag đã chế tạo.
Màng mỏng từ-plasmonic được chế tạo bằng phương pháp phún xạ catot với cơ chế phún xạ do va chạm thác lũ : Một số nguyên tử bề mặt bị đi sâu vào trong mạng tinh thể,va đập tiếp theo và làm bật các nguyên tử bề mặt khác ra khỏi bề mặt bia.
Tùy thành phần tỉ lệ giữa Co và Al2O3 đặt vào bia ta sẽ có những mẫu màng mỏng từ có thành phần Co khác nhau. Các mẫu sử dụng gồm có: Các mẫu màng mỏng truyền qua dạng hạt Co/ Al2O3 50% , Co/ Al2O3 40% , Co/ Al2O3 30% , Co/ Al2O3 25%, Co/ Al2O3 20%
128
và một số mẫu phản xạ Co/ Al2O3 50% (0s), Co/ Al2O3 50% (5s), Co/ Al2O3 50% (10s), Co/ Al2O3 50% (15s), Co/ Al2O3 50% (20s) và Co/Ag.
Khảo sát hiệu ứng từ quang truyền qua trên mẫu Co/ Al2O3
Trong quá trình khảo sát hiệu ứng tôi đã khảo sát hiệu ứng trên tất cả các mẫu nhưng chỉ có mẫu Co/ Al2O3 20% cho kết quả về sự xuất hiện của hiệu ứng từ quang. Chùm sáng phát ra từ laser He-Ne bước sóng 632,8 nm cho đi qua kính phân cực để đảm bảo ánh sáng đi qua mẫu là ánh sáng phân cực thẳng .
Hình 5.16: Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa công ánh sáng truyền qua mẫu và cường độ
từ trường
Diện tích của đầu đo công suất là S=Π.R2 3,14.10-6(m2)= với R= 1mm Cường độ ánh sáng liện hệ với công suất theo biểu thức I=P/S (W/m2)
129
Khảo sát hiệu ứng từ quang phản xạ trên mẫu Co/Ag
Mẫu khảo sát ảnh hưởng từ trường lên cường độ ánh sáng phản xạ là mẫu dạng hạt với thành phần Co/Ag. Chùm sáng phát ra từ laser He-Ne bước sóng 632,8 nm cho đi qua kính phân cực đểđảm bảo ánh sáng đi và phản xạ trên mẫu là ánh sáng phân cực thẳng
Hình 5.17: Đồ thị biểu diễn cường độ ánh sáng phản xạ và cường độ từ trường
Dựa vào kết quả khảo sát và nghiên cứu lý thuyết chúng tôi thấy rằng vật liệu màng mỏng lưỡng kim Co/Al2O3 và Co/Ag đã cho kết quả phù hợp với lý thuyết, có sự thay đổi thuộc tính của ánh sáng khi đi qua màng mỏng dưới tác động của từ trường ngoài. Nhưng phép đo còn khá nhiều hạn chếđể có thể nghiên cứu, tìm hiểu nguyên nhân cũng như cơ chế của hiệu ứng cần rất nhiều phép đo thực nghiệm khác với xung ánh sáng vùng hồng ngoại xa và một vật liệu màng mỏng từ hoàn thiện hơn.
130
KẾT LUẬN
Thông qua thực hiên nhiệm vụ Nghị định thư 43/2009/HĐ-NĐT hợp tác với Khoa Vật Lý, ĐHTH Quố gia Lomonoxop ,CHLB Nga chúng tôi đã đạt được những kết quả chính như sau:
i) Xây dựng và phát triển thành công một hệ quang phổ học phi tuyến khảo sát bề mặt vật liệu bằng SHG, đồng thời cho phép nghiên cứu các thuộc tính quang học phi tuyến của vật liệu cấu trúc nano, mở ra hướng nghiên cứu hiệu ứng quang học phi tuyến tăng cường nhờ kích thích plasmon bề mặt và ứng dụng.
ii) Xây dựng và phát triển thành công một hệăn mòn laser tại phòng thí nghiệm phục vụ chế tạo hạt nano kim loại trong các môi trường sạch, thân thiện với môi trường y sinh. Nghiên cứu phương pháp ăn mòn laser chế tạo thành công các hạt nano vàng , bạc, đồng , platin. Sử dụng các hạt nano kim loại này chế tạo các mẫu cấu trúc nano kim loại thích hợp cho hiệu ứng tăng cường tán xạ Raman bề mặt (SERS). Đã triển khai nghiên cứu hiệu ứng tăng cường tán xạ Raman bề mặt nhờ kích thích plasmon trên cấu trúc nano kim loại. Trên cơ sở đó đã xây dựng thành công phép đo Tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) nhờ kích thích plasmon. iii) Nhờ thực hiện nhiệm vụ hợp tác NĐT, đã học hỏi đối tác để xây dựng thành công
một hệđo từ quang trên cấu trúc nano quang tử tại phòng thí nghiệm. Sử dụng hệ đo từ quang này nghiên cứu hiệu ứng từ quang KER tăng cường nhờ kích thích Plasmon trên cấu trúc nano quang tử từ 1D (cách tử Ni)và hiệu ứng spin- plasmonic trên cấu trúc hạt Ag-Co.
Có thể nói cả ba kết quả này đều là những kết quả mở đầu cho những hướng nghiên cứu mới về quang phổ học ở Việt nam, được sử dụng trong nghiên cứu khoa học và công nghệ vật liệu quang tử tiên tiến phục vụ các ứng dụng trong quang điện tử, y sinh học và môi trường .
131
Thông qua thực hiện nghiệm vụ hợp tác NĐT số 43/2009/HĐ-NĐT đã tăng cường năng lực nghiên cứu và đào tạo cho Bộ môn Quang lượng tử, Khoa Vật Lý, góp phần đào tạo đội ngũ cán bộ nghiên cứu có khả năng làm chủ công nghệ cao, hiện đại.
KIẾN NGHỊ
- Những kết quảđạt được cần được củng cố bằng sự tiếp tục đầu tư hoàn thiên thông qua các đề tài, dự án nghiên cứu
- Phương pháp SHG cần được phát huy ứng dụng trong nghiên cứu thuộc tính quang và cấu trúc bề mặt vật liệu, hiệu ứng quang học phi tuyến tăng cường nhờ kích thích Plasmon
-Phương pháp SERS cần được phát huy khả năng khảo sát cấu trúc dao động phân tử ứng dụng trong y, sinh học phân tử, hóa môi trường…
-Tiếp tục duy trì và mở rộng hợp tác với nhóm nghiên cứu Fredyanin, Khoa Vật lý, Đại học tổng hợp Lomonosv Moscow, CHLB Nga để phát triển hướng nghiên cứu cấu trúc nano quang tử - từ (magnetophotonic nanostructures) có đáp ứng từ-quang tăng cường ở vùng phổ mong muốn nhờ cộng hưởng plasmon bề mặt . Đây là một hướng nghiên cứu có tính thời sự trên thế giới và hoàn toàn mới mẻở Việt nam.
132
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Boyd R.W, Nonlinear optics, Academic Press, New York, 2003
2. Chikashi Yamada and Takahiro Kimura 193 Phys.Rev.Lett.70, 2344(1993) 3. C.K. Chen, Phys.Rev.Lett 46,1983
4. M.Moskovits, J. Chem.Phys.73,3023,(1980)
5. N.Butcher and D.Cotter, The elements of nonlinear optics, Cambridge University England 1990.
6. Shen Y.R, The principles of nonlinear optics, John Willey and Sons, New York, 1984
7. Shen Y.R, Surface contribution versus bulk contribution in surface nonlinear optical spectroscopy, Appl.Phys.B 68,295-300 (1999)
8. Shen Y.R, “Optical harmonic generation at interfaces”, Chem.Phys, Vol40:327-350, 1989
9. Guyott-Sionnest,W.Chen and Y.R Chen, Phys.Rev.B 33,8254 (1986)
10. T.F.Heinz ,H.Ponath and G.Stegeman, Nonlinear optical effects at surface and interface electromagnetic phenomena, Elsevier, Amsterdam,1991
11. W.Ubachs, Non Linear, lecture, 2001
12.Carsten Sonnichsen, “Plasmons in metal nanostructures”, thesis for the degree of Doctor, University of Munich, Germany, July- 2001
13. Pierre-Francois Brevet, “Small metallic particles”,Lecture, University of Lyon 1, France
14.Stefan A. Maier and Harry A. Atwater "Plasmonic: Localization and guiding of electromagnetic energy in metal/dielectric structures," Journal of applied physic 98.011101, 2005.
15. C.K Chen, T.F.Heinz, D.Ricard and Y.R.Shen "Surface-enhanced second-harmonic generation and Raman scattering," Physical Review B, 15 February 1983
16. C.K Chen, A.R.B. De Castro and Y.R.Shen, "Surface-enhanced second-Harmonic Generation," physical review letters, 12 January,1981.
17. Jerry I.Dadap, Hilton B. de Aguiar and Sylvie Roke "Nonlinear light scattering from clusters and single particles” APS?123-QED. April 14, 2009.
18.M.A.Noginov, G.Zhu and V.I.Gavrilenko, “Nonlinear emission of Au nanoparticles enhanced by rhodamine 6G dye”, Nonlinear Optics and Application, 978-81- 30800173-5, 2007
19.J.S Salafsky, K.B.Eisenthal, "Second harmonic spectroscopy: derection and orientation of molecules at a biomembrane interface," Chemical Physics Letters, 319(2000)435-439, 2000
133
20.Fumitaka Mafune´, Jun-ya Kohno, Yoshihiro Takeda, and Tamotsu Kondow, “Full Physical Preparation of Size-Selected Gold Nanoparticles in Solution: Laser Ablation and Laser-Induced Size Control”
21.Alan Campion and Patanjali Kambhampati (1998), “Surface - enhanced Raman scattering”, Chemical Society Reviews, 27, pp. 241- 250.
22.Alia Sabur, Mickael Havel and Yury Gogotsi (2007) “SERS intensity optimization by controlling the size and shape of faceted gold nanoparticles”, J.raman Spectrosc.2008;39;61-67
23. A. Otto, I Mrozek, H Grabhorn and W Akemann (1992) “Surface - enhanced Raman scattering”, J.Phys. Condens. Matter 4(1992) 1143 – 1212.
24.12. C.G. Blatchford, J.R. Campbell, and J.A. Creighton (1982), “Plasma resonance - enhanced Raman scattering by adsorbates on gold colloids: the effects of aggregation,” Surface Science 120, pp. 435-455.
25.Christine J Hick (2001), “Surface - enhanced Raman scattering”, MSU CEM 924.
26.D. Roy, Z. H. Barber, and T. W. Clyne (2002) “Ag nanoparticle induced surface enhanced Raman spectroscopy of chemical vapor deposition diamond thin films prepared by hot filament chemical vapor deposition”, Journal of appied physics, Vol. 91, No. 9 6085 - 6089
27.Stephan Link, Mostafa A. El-Sayed (2000), “Shape and size dependence of radiative, non-radiative and photothermal properties of gold nanocrystal”, Int.Reviews in
Physical Chemistry, Vol.19, No.3, 409-453.
28.K. Lance Kelly, Eduardo Coronado, Lin Lin Zhao, George C. Schatz (2003), “ The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape and dielectric environment”, J. Phys. Chem B.2003, 107, 668-677.
29. M. A. Noginov, G. Zhu, V.I. Gavrilenko (2007), “Nonlinear emission of Au nanoparticles enhanced by rhodamine 6G dye”, Nonlinear optics and applications, ISBN:987-81-308-0173-5.
30.G. T. Boyd, Z. H. Yu, Y. R. Shen (1986), “Photoinduced luminescence from the noble metals and its enhancement on roughened surfaces”, Phys. Rev. B, 33, pp7923-7936. 31. G A Wurtz1,4, W Hendren1, R Pollard1, R Atkinson1,L Le Guyader2, A Kirilyuk2,
Th Rasing2, I I Smolyaninov3 and A V Zayats1,5 “Controlling optical transmission through magneto-plasmonic crystals with an external magnetic field”
32.K. J. Chau,1 Mark Johnson,2 and A.Y. Elezzabi1 “Electron-Spin-Dependent Terahertz Light Transport in Spintronic-Plasmonic Media ”
33. Katherine A.Willets and Richard P. Van Duyne “Localized Surface Plasmon Resonance Spectroscopyand Sensing ”.
34.A. Y. Elezzabi. Ultrafast Optics and Nanophotonics Laboratory, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada, T6G 2V4 “Spinplasmonics: A New Route for Active Plasmonic”
35.A. A. Grunin, A.G. Zhdanov, A. A. Ezhov, E. A. Ganshina, A. A Fedyanin, Surface- plasmon-induced enhancement of magneto-optical Kerre effect in all-nickel
134
36.A.A. Grunin, A.G. Zhdanov, B.B. Tsema, A.A. Ezhov, T.V. Dolgova, E.A. Ganshina, M.H. Hong, A.A. Fedyanin, Magneto-optical response enhancement in 1D and 2D magnetoplasmonic crystals, Proceedings of SPIE 7353 (2009)
37.Katherine A.Willets and Richard P. Van Duyne, Localized Surface Plasmon Resonance Spectroscopy and Sensing, Annual Review of Physical Chemistry, vol 58(2007), P.267-97
PHỤ LỤC
1. Các bài báo, báo cáo khoa học đã công bố