İçeriğe atla

Yüzey plazmonu

Bir yüzey plazmon şeması. Şemada gösterilen elektromanyetik dalga ve yük yoğunluğu salınımları yüzey plazmon polariton'ları olarak tanımlanmaktadır. Bu tip dalgalar yüzey boyunca hareket eder ve yüzeyden dik bir biçimde uzaklaştıkça üstel bir biçimde (sağda) azalırlar. Bu tip dalgalar elektromanyetik tayfın görünür ışık frekanslarında uyarılabilir.

Yüzey plazmonları, yalıtkanlık sabitinin işaret değiştirdiği iki yüzey arasında uyarılabilen delokalize elektron salınımlarıdır; bunlara örnek olarak görünür ışıkta dielektrik ve metaller arası yüzeyler verilebilir. Plazmonlar plazma salınımlarının kuantasıdır; bu elektromanyetik dalgaların kuantizasyonunun fotonlar olmasıyla benzer durumdur. Yüzey plazmonları toplu plazmon salınımlarından daha az güce sahiptir; yüzey plazmonlarının aksine bu tip salınımlar Fermi gazlarında (ya da plazmalarda) boylamasına gerçekleşir.

Yüzey plazmonlarındaki elektron salınımları metalin içinde ve dışında elektron salınımları yaratır. Bu salınımların bütünü yüzey plazmon polaritonu ya da lokalize yüzey plazmonu olarak tanımlanmaktadır; yüzey plazmon polaritonu düzlemsel yüzeylerde oluşurken, lokalize yüzey plazmonu bir nanoparçacığın kapalı yüzeylerinde oluşmaktadır.

Yüzey plazmonları ilk kez 1957'de Rufus Ritchie tarafından teorize edilmiştir.[1] Bundan sonraki senelerde yüzey plazmonları birçok fizikçi tarafından incelenmiştir: bunlar arasında T. Turbadar, Heinz Raether, E. Kretschmann ve A. Otto bulunmaktadır. Yüzey plazmonlarının veri aktarımı gibi kullanım alanlarının incelenmesi fotoniğin bir alt kolu olan plazmonik bilimine girer.[2]

Yüzey plazmon polaritonu

Yüzey plazmon polaritonunun uyarımı

Yüzey plazmon polaritonları elektron veya fotonlarla uyarılabilir. Buna karşın fotonla uyarım elektromanyetik momentum korunumu nedeniyle doğrudan gerçekleştirilemez; bunun için prizma, ızgara (Bragg ızgarası) veya yüzey defektleri gerekmektedir.[3]

Dispersiyon ilişkisi

Yüzey plazmon polaritonlarda dispersiyon. Düşük dalga vektörlerinde (k) yüzey plazmon çizgisi (kırmızı) foton çizgisine (mavi) yakınsar.

Yüzey plazmonlarının uyarımı dalgaların yüzeydeki dispersiyon ilişkisine bağlıdır. Dispersiyon ilişkisi frekans ile dalga vektörü arasındaki ilişkiyi ifade eder; kırılma indisinin frekansa bağlı olması ile de tanımlanabilir.[4]

Düşük frekanslarda yüzey plazmon polaritonları Sommerfeld-Zenneck dalgaları ismi verilen yüzey dalgalarına yakınsar; bu frekanslarda dispersion ilişkisi lineer ve boşlukla aynıdır. Artan frekanslarda dispersiyon fonksiyonu bükülür ve plazma frekansında asimptotik sınırına ulaşır.[4]

Basit bir düzlemsel metal-dielektrik yüzeyi için dispersiyon ilişkisi şu şekilde ifade edilmektedir:

Bu formülde yüzeydeki dalga vektörünü, ile ise yüzeydeki malzemelerin yalıtkanlık sabitidir. , açısal frekans ile ışık hızının oranı, boşluktaki dalga vektör sayısını ifade eder. Bu yüzeyde bir yüzey plazmon polaritonunun Maxwell denklemleri'ni sağlaması için bu formüle uyması gerekir.[4]

Dispersiyon grafiği için metallerin yalıtkanlık sabitinin yaklaşık olarak hesaplanmasında Drude ya da serbest elektron modeli kullanılabilir.

Yayılım uzaklığı ve deri derinliği

Yüzey plazmon polaritonları yüzey boyunca yayıldıkça metalin görünür ışıkta kayıplı olması nedeniyle soğurulur. Aynı zamanda bu dalgalar saçılma ile de enerji kaybedebilir. Elektrik alan metal yüzeyine dik olarak uzaklaştıkça üstel bir biçimde azalır; bu tip dalgalara evanesan dalgalar (evanescent waves) adı verilir. Düşük frekanslarda bu dalgaların metalde erişebileceği derinlikler (deri derinliği) yüzey katmanı etkisi formülünü kullanarak yaklaşık olarak hesaplanabilir. Yüzeyin dielektrik kısmında elektrik alan metale göre daha yavaş bir biçimde azalır. Yüzey plazmon polaritonların deri derinliğine olan hassasiyeti yüzeylerdeki bozunmaları tespit etmek için kullanılmalarına önayak olmuştur.

Deneysel uygulamalar

Yüzey plazmon rezonansı tekniği ile bir biyosensör uygulaması. Bu uygulamada Kretschmann-Raether konfigürasyonu kullanılmaktadır.

Yüzey plazmon polaritonlarının uyarımı yüzey plazmon rezonansı (surface plasmon resonance) tekniğinde kullanılmatadır. Yüzey plazmon rezonansında maksimum uyarım (rezonans) bir prizmadan ışığın gönderim açısına ya da dalga boyuna göre yansıyan güç incelenerek bulunur. Bu teknik yüzey kalınlığında nanometre boyundaki farklılıkları, yoğunluk farklarını ya da moleküler soğurmaları tespit etmekte kullanılmaktadır. Son dönemlerdeki çalışmalar bu tekniği çok katmanlı yüzeylere uyarlamaktadır.[5][6]

Plazmonik yapıların ışığı kırınım sınırından daha küçük dalga boylarına hapsedebilmesi bu etkinin "dalgaboyu-altı optik" (subwavelength optics), plazmonik güneş pili ve süper lens gibi uygulamalar için araştırılmasını sağlamıştır.[7]

Yüzey plazmon devreleri yüksek performans fotonik devrelerdeki boyut sorunu çözmek için öne sürülmüştür.[8]

Nano-malzemelerin plazmonik özellik ve yatkınlıklarının dinamik olarak kontrol edilebilmesi plazmonik teknolojinin ilerlemesi için önemli bir adım olarak görülmektedir. Toplu plazmon rezonansı kullanarak yüzey plazmon resonansının bastırılabileceği gösterilmiştir.[9] Bu yöntemin fotonik devrelerde önemli bir yere sahip olacak CMOS-uyumlu plazmonik elektrooptik modülatörlerin gelişimde önemli bir yere sahip olacağı öne sürülmektedir.[10]

Yüzeyce güçlendirilmiş Raman saçılması ve yüzey-etkili floresans gibi bazı yüzey etkileşimleri soy metallerdeki yüzey plazmonlara bağlıdır; bunlar kullanılarak sensörler geliştirilmiştir.[11] Yüzey ikinci harmonik iletimi gibi doğrusal olmayan optik etkileşimlerde yüzey plazmon rezonansı daha kuvvetli olmaktadır.[12] Ayrıca plazmonik soğurma özelliklerinin moleküler sensörlerin gelişimde rolü olmuştur.[13]

Ayrıca bakınız

Kaynakça

  1. ^ Ritchie, R. H. (Haziran 1957). "Plasma Losses by Fast Electrons in Thin Films". Physical Review. 106 (5). ss. 874-881. Bibcode:1957PhRv..106..874R. doi:10.1103/PhysRev.106.874. 
  2. ^ Polman, Albert; Harry A. Atwater (2005). "Plasmonics: optics at the nanoscale" (PDF). Materials Today. Cilt 8. s. 56. doi:10.1016/S1369-7021(04)00685-6. 7 Haziran 2010 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 26 Ocak 2011. 
  3. ^ Maier, Stefan A. (2007). Plasmonics: Fundamentals and Applications. New York: Springer Publishing. ISBN 978-0-387-33150-8. 
  4. ^ a b c Raether, Heinz (1988). Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings. Springer Tracts in Modern Physics 111. New York: Springer-Verlag. ISBN 978-3540173632. 
  5. ^ Taverne, S.; Caron, B.; Gétin, S.; Lartigue, O.; Lopez, C.; Meunier-Della-Gatta, S.; Gorge, V.; Reymermier, M.; Racine, B.; Maindron, T.; Quesnel, E. (12 Ocak 2018). "Multispectral surface plasmon resonance approach for ultra-thin silver layer characterization: Application to top-emitting OLED cathode". Journal of Applied Physics. 123 (2). s. 023108. Bibcode:2018JAP...123b3108T. doi:10.1063/1.5003869. ISSN 0021-8979. 
  6. ^ Salvi, Jérôme; Barchiesi, Dominique (1 Nisan 2014). "Measurement of thicknesses and optical properties of thin films from Surface Plasmon Resonance (SPR)". Applied Physics A (İngilizce). 115 (1). ss. 245-255. Bibcode:2014ApPhA.115..245S. doi:10.1007/s00339-013-8038-z. ISSN 1432-0630. 
  7. ^ Barnes, William L.; Dereux, Alain; Ebbesen, Thomas W. (2003). "Surface plasmon subwavelength optics". Nature. 424 (6950). ss. 824-30. Bibcode:2003Natur.424..824B. doi:10.1038/nature01937. PMID 12917696. 
  8. ^ Ozbay, E. (2006). "Plasmonics: Merging Photonics and Electronics at Nanoscale Dimensions". Science. 311 (5758). ss. 189-93. Bibcode:2006Sci...311..189O. doi:10.1126/science.1114849. hdl:11693/38263. PMID 16410515. 
  9. ^ Akimov, Yu A; Chu, H S (2012). "Plasmon–plasmon interaction: Controlling light at nanoscale". Nanotechnology. 23 (44). s. 444004. doi:10.1088/0957-4484/23/44/444004. PMID 23080049. 
  10. ^ Wenshan Cai; Justin S. White; Mark L. Brongersma (2009). "Compact, High-Speed and Power-Efficient Electrooptic Plasmonic Modulators". Nano Letters. 9 (12). ss. 4403-11. Bibcode:2009NanoL...9.4403C. doi:10.1021/nl902701b. PMID 19827771. 
  11. ^ Xu, Zhida; Chen, Yi; Gartia, Manas; Jiang, Jing; Liu, Logan (2011). "Surface plasmon enhanced broadband spectrophotometry on black silver substrates". Applied Physics Letters. 98 (24). s. 241904. arXiv:1402.1730 $2. Bibcode:2011ApPhL..98x1904X. doi:10.1063/1.3599551. 
  12. ^ V. K. Valev (2012). "Characterization of Nanostructured Plasmonic Surfaces with Second Harmonic Generation". Langmuir. 28 (44). ss. 15454-15471. doi:10.1021/la302485c. PMID 22889193. 
  13. ^ Minh Hiep, Ha; Endo, Tatsuro; Kerman, Kagan; Chikae, Miyuki; Kim, Do-Kyun; Yamamura, Shohei; Takamura, Yuzuru; Tamiya, Eiichi (2007). "A localized surface plasmon resonance based immunosensor for the detection of casein in milk". Science and Technology of Advanced Materials. 8 (4). s. 331. Bibcode:2007STAdM...8..331M. doi:10.1016/j.stam.2006.12.010. 

İlgili Araştırma Makaleleri

<span class="mw-page-title-main">Elektron</span> Temel elektrik yüküne sahip atomaltı parçacık

Elektron, eksi bir temel elektrik yüküne sahip bir atomaltı parçacıktır. Lepton parçacık ailesinin ilk nesline aittir ve bileşenleri ya da bilinen bir alt yapıları olmadığından genellikle temel parçacıklar olarak düşünülürler. Kütleleri, protonların yaklaşık olarak 1/1836'sı kadardır. Kuantum mekaniği özellikleri arasında, indirgenmiş Planck sabiti (ħ) biriminde ifade edilen, yarım tam sayı değerinde içsel bir açısal momentum (spin) vardır. Fermiyon olmasından ötürü, Pauli dışarlama ilkesi gereğince iki elektron aynı kuantum durumunda bulunamaz. Temel parçacıkların tamamı gibi hem parçacık hem dalga özelliklerini gösterir ve bu sayede diğer parçacıklarla çarpışabilir ya da kırınabilirler.

<span class="mw-page-title-main">Elektrostatik</span> durağan elektrik yüklerinin incelenmesi

Elektrostatik, duran veya çok yavaş hareket eden elektrik yüklerini inceleyen bir bilim dalıdır.

Kapasite veya diğer adıyla sığa, bir cismin elektrik yükü depo etme yeteneğidir. Elektrikle yüklenebilen her cisim sığa barındırmaktadır. Enerji depolama aracının en yaygın formu paralel levhalı sığaçlardır. Paralel levhalı sığaçta, sığa iletken levhanın yüzey alanıyla doğru orantılıdır ve levhalar arasındaki uzaklığın ayrımıyla da ters orantılıdır. Eğer levhaların yükleri +q ve –q ise ve V levhalar arasındaki voltajı veriyorsa, sığa C şu şekildedir;

<span class="mw-page-title-main">Radyo dalgaları</span> Radyo Dalgaları (Radio Waves)

Radyo dalgaları, radyo frekansı ile gerçekleşen elektromanyetik dalgalardır. Tel gibi somut bağlantılar kullanmadan, atmosfer içerisinde veri taşınmasına olanak tanırlar. Radyo dalgalarını diğer elektromanyetik dalgalardan ayıran özellikleri görece uzun dalgaboylarıdır.

Radyo frekansı yayıncılıkta bir bilgi sinyali ile modüle edilmiş olan taşıyıcı sinyal anlamına gelir. Ancak, bu isim zamanla modüle edilsin, edilmesin, yüksek frekans anlamına da kullanılmaya başlanmıştır.

<span class="mw-page-title-main">Emisyon</span> bir cismin elektromanyetik enerji yayma kapasitesi

Salım ya da emisyon, bir materyalin yüzeyinin nispi olarak radyasyon ile enerji yayma yeteneğidir. Ayrıca emisyon, aynı sıcaklıkta, belirli bir materyalin yaydığı enerjinin, bir kara cisim tarafından yayılan enerjiye oranı olarak da ifade edilmektedir. Bir gerçek nesne için ε < 1 koşulu olduğu zaman, gerçek bir kara cisim için ε = 1'dir. Emisyon boyutsuz bir niceliktir.

Isıl ışınım maddedeki yüklü parçacıkların ısıl hareketiyle meydana gelmiş elektromanyetik ışınımdır. Isısı mutlak sıfırdan büyük olan her madde ısıl ışınım yayar. Isısı mutlak sıfırdan büyük olan maddelerde atomlar arası çarpışmalar, atomların ya da moleküllerin kinetik enerjisinde değişime neden olur.

Plazmonik güneş pilleri ışıksal gerilimle çalışan cihazlar olarak tanımlanmaktadırlar ve plazmonları kullanaraktan ışığı elektriğe çevirmektedirler. Plazmonik güneş pilleri 1-2 mikrometre kalınlığında ince film şeklinde olan güneş pillerinden oluşmaktadırlar. Bu piller alt madde olarak silikondan daha ucuz olan malzemeleri kullanırlar, bu malzemelere örnek olarak cam, plastik veya çelik örnek verilebilir. İnce film güneş pilleri için en büyük problem kalın piller kadar fazla ışığı soğuramamalarıdır. Işığı yakalamak için önemli methodlara sahiptir ve bu methodları ince film güneş pillerini kullanılabilir hale getirmek amacıyla yapmaktadır. Plazmonik piller metal nanoparçacıklar kullanaraktan yüzeylerindeki plazmon rezonansını kararlı hale getirirler ve soğurma gücünü ışığı yansıtarak artırmaktadırlar. Bu yöntem ışığın direkt olarak kalın, fazladan katmanlı diğer tür ince film güneş pillerini kullanmadan soğurulmasını sağlar.

Geometrik optik veya ışın optiği, ışık yayılmasını ışınlarla açıklar. Geometrik optikte ışın bir soyutlama ya da enstrumandır; ışığın belirli şartlarda yayıldığı yola yaklaşmada kullanışlıdır.

<span class="mw-page-title-main">Yüzey katmanı etkisi</span>

Yüzey katmanı etkisi ; akım yoğunluğu iletkenin yüzeyinin yakınında en büyük olacak şekilde bir iletken içinde dağıtılan bir alternatif elektrik akımı (AC) eğilimidir ve iletkenin derinliklerinde azalır. Elektrik akımı, iletkenin dış yüzeyi ile yüzey derinliği denilen bir derinlik arasında ağırlıklı olarak akar. Yüzey etkisi yüzey derinliğinin küçük olduğu yerlerde yüksek frekanslar için iletkenin direncinin artmasına sebep olur. Böylece, iletkenin kesitinin etkisini azaltır. Deri etkisi alternatif akımdan kaynaklanan değişen manyetik alanın neden olduğu Eddy akımına karşıt kaynaklanmaktadır. 60 Hz'de bakır'ın yüzey derinliği yaklaşık 8,5 mm. Yüksek frekanslarda yüzey derinliği çok daha küçük olur. Yüzey etkisi nedeniyle artan AC direnç özel dokuma litz tel kullanılarak hafifletilebilir. Çünkü büyük bir iletkenin iç akımını çok az taşır. Ayrıca bu tür boru gibi boru şeklinde iletkenler ağırlık ve maliyet tasarrufu için kullanılabilir.

Nötrino salınımları, üretilen ve belirli bir lepton türü olan bir nötrinonun daha sonradan farklı bir tür olarak ölçülebilmesine denen bir kuantum mekaniği fenomenidir. Uzaya yayılan nötrinoların türleri periyodik olarak değişir.

Plazma salınımı ya da diğer adıyla Langmuir dalgası, plazma ya da morötesi bölgedeki metal gibi iletken ortamlardaki elektron yoğunluğunda yaşanan salınımlardır. Bu salınımlar, serbest bir elektron gazının dielektrik fonksiyonundaki kararsızlık olarak da tanımlanabilmektedir. Bu salınımların nicemlemeleri sonrasında ortaya çıkan sanki parçacıklar plazmon olarak adlandırılmaktadır. Plazma salınımı, 1920'lerde Irving Langmuir ve Lewi Tonks tarafından keşfedilmiş olup, diğer adı olan Langmuir dalgasını da keşfeden bilim insanından almaktadır.

<span class="mw-page-title-main">Faz yüzey bilimi</span>

Faz yüzey bilimi, katı - sıvı arayüzleri, katı - gaz arayüzleri, katı - vakum arayüzleri ve sıvı - gaz arayüzleri dahil olmak üzere iki fazın arayüzünde meydana gelen fiziksel ve kimyasal olayların incelenmesidir. Yüzey kimyası ve yüzey fiziği alanlarını içerir. İlgili bazı pratik uygulamalar yüzey mühendisliği olarak sınıflandırılmaktadır. Bilim heterojen kataliz, yarı iletken cihaz üretimi, yakıt hücreleri, kendi kendine monte edilen tek tabakalar ve yapıştırıcılar gibi kavramları kapsar. Faz yüzey bilimi arayüz ve kolloid bilimi ile yakından ilgilidir. Arayüzey kimyası ve fizik her ikisi için de ortak konulardır. Yöntemler farklı. Buna ek olarak, arayüz ve kolloid bilimleri, arayüzlerin özelliklerinden dolayı heterojen sistemlerde ortaya çıkan makroskopik olayları inceler.

Elektromanyetik sınır koşulları, elektromanyetik alanların iki malzeme arasındaki yüzeydeki ilişkilerini belirler. Yalıtkanlık sabiti ve/veya geçirgenlik sabitinin değiştiği arayüzlerde elektrik alan, elektrik akı yoğunluğu, manyetik alan ve manyetik akı yoğunluğunun değişimi ya da sürekliliği için farklı kurallar bulunmaktadır. Bu kurallar Maxwell denklemleri'nin integral gösterimleri ile türetilebilir.

<span class="mw-page-title-main">Doğrusal olmayan optik</span>

Doğrusal olmayan optik ya da nonlineer optik, ışığın doğrusal olmayan sistem ve malzemelerdeki davranışı ile özelliklerini inceleyen optiğin bir alt dalıdır. Bu malzemelerde elektrik alan () ile polarizasyon yoğunluğu () arasındaki ilişki doğrusal değildir; bu durum daha çok yüksek genlikte (108 V/m seviyelerinde) ışık veren lazerlerde ve lityum niobat gibi kristal yapılarında görülür. Schwinger sınırından daha kuvvetli alanlarda vakum da doğrusallığını kaybeder. Süperpozisyon prensibi bu malzemeler için geçerli değildir.

<span class="mw-page-title-main">Fotonik kristal</span>

Fotonik kristaller, ışığın hareketini kontrol eden periyodik yapılardır. Işığın bu yapılarla etkileşimi, Katı hâl fiziğinde kristal yapıların elektronlarla etkileşimine benzetilebilir; yapının periyodikliği, ışığın ilerleyemeceği bir fotonik bant aralığı oluşturur; bu bant aralığında bulunan dalga boylarındaki fotonlar fotonik kristalde ilerleyemez. Fotonik kristaller, doğada bazı canlılarda bulunmaktadır.

<span class="mw-page-title-main">Negatif indisli metamalzeme</span>

Negatif indisli metamalzemeler (NIM), kırılma indisi belli frekans aralıklarında negatif değer alan metamalzemelerdir. Kırılma indisinin negatif olması bu yapay malzemelerde "negatif kırılma" gibi doğal malzemelerde bulunmayan özelliklere sahip olmasını sağlamaktadır. Bu malzemelerin yapay tepkileri dolayısıyla elektrodinamikteki standart sağ el kuralı kuralı bu ortamlarda tersine döner; bu nedenle negatif indisli metamalzemeler aynı zamanda "solak malzemeler" olarak bilinmektedir.

<span class="mw-page-title-main">John Pendry</span>

Sir John Pendry, İngiliz fizikçi. Imperial College London'da teorik katı hâl fiziği anabilim dalında profesörlük yapan Pendry, metamalzemeler ve perdeleme teorileri üzerine yaptığı çalışmalar ile tanınmaktadır. 2004 yılında Sir unvanını alan fizikçi, 2014 yılında nano-optik alanına olan katkılarından dolayı Norveç Bilimler Akademisi tarafından Kavli Nanobilim Ödülü'ne layık görülmüştür.

<span class="mw-page-title-main">Nanofotonik</span>

Nanofotonik ya da nano-optik, ışığın nanometre boylarındaki özelliklerini ve bu boyutlardaki maddelerle etkileşimini inceleyen fotonik ile nanoteknolojinin bir alt dalıdır. Optik, malzeme bilimi ile elektrik mühendisliği ile yakın bir ilişki içinde olan nanofotoniğin uygulamaları arasında dalga boyundan küçük nano-anten sensörleri, nanometre boyutlu dalga kılavuzları, yeni nesil fotolitografi teknikleri, yüksek çözünürlüklü mikroskoplar ve metamalzemeler bulunmaktadır.

Ortwin Hess, Trinity College Dublin (İrlanda) ve Imperial College London'da yoğun madde optiği alanında çalışan Almanya doğumlu bir teorik fizikçidir. Yoğun madde teorisi ve kuantum optiği arasında köprü kurarak, kuantum nanofotonik, plazmonik, metamalzemeler ve yarı iletken lazer dinamiğinde uzmanlaşmıştır. 1980'lerin sonlarından bu yana, 300'den fazla hakemli makalenin yazarı ve ortak yazarıdır; bunlardan en bilinen, "Trapped rainbow' storage of light in metamaterials" adlı makalesine 400'den fazla kez atıfta bulunulmuştur. Kuantum kazanımlı aktif nanoplazmoniklere ve metamalzemelere öncülük etti. 2014 yılında, güçlendirilmiş yüzey plazmon polaritonlarının boşluksuz (nano-) lazerleme ve lokalizasyonu için yeni bir yol olarak "durdurulmuş ışıkla lazerleme" ilkesini tanıttı. Bu ilke, ona 33 h-endeksi kazandırdı.


Bu sayfa, bu Vikipedi makalesine dayanmaktadır.
Metin, CC BY-SA 4.0 lisansı altında mevcuttur; ek koşullar uygulanabilir.
Görseller, videolar ve sesler kendi lisansları altında mevcuttur.