Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ Co trong các màng mỏng CoAg và CoAl2O3

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................... v
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG PLASMONIC ......................................... 7
1.1 Khái niệm về plasmon .................................................................................................. 9
1.2 Phân loại plasmon ...................................................................................................... 10
1.3 Điều khiển độ truyền qua của tinh thể plasmon từ bằng từ trường ngoài .................. 12
1.4 Hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt .................................................................. 16
1.5 Hiện tượng plasmonic và spinplasmonics .................................................................. 17
1.6 Tương tác magnon-plasmon ....................................................................................... 21
1.7 Sơ lược về tình hình nghiên cứu về spin-plasmonic ở trong nước............................. 27
1.8 Kết luận chương 1 ...................................................................................................... 28
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ........................................................................................... 29
2.1 Chế tạo màng mỏng có cấu trúc dạng hạt nano bằng phương pháp phún xạ cao tần 29
2.1.1 Nguyên tắc chung của phương pháp phún xạ cao tần.......................................... 29
2.1.2 Cách bố trí bia khi chế tạo mẫu màng mỏng dạng hạt ........................................ 32
2.1.3 Xử lý màng mỏng sau khi chế tạo ....................................................................... 33
2.2 Chế tạo màng mỏng có cấu trúc dạng hạt nano bằng phương pháp bốc bay nổ trong
chân không ....................................................................................................................... 33
2.2.1 Nguyên lý của bốc bay nổ .................................................................................... 34
2.2.2 Ưu điểm, nhược điểm của phương pháp bốc bay nổ ........................................... 35
2.3 Các phương pháp khảo sát màng mỏng ..................................................................... 36
2.3.1 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X ....................................... 36
2.3.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM).......................................................................... 37
2.3.3 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ............................................................... 37
2.3.4 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) ...................................................................... 37
i


2.3.5 Khảo sát tính chất từ sử dụng từ kế mẫu rung (VSM) ......................................... 38

2.4 Thiết lập hệ đo quang-từ để khảo sát hiện tượng plasmonic ...................................... 38
2.4.1 Sơ đồ khối của các hệ đo quang-từ ...................................................................... 38
2.4.2 Thông số kĩ thuật của các thiết bị sử dụng trong các hệ đo quang-từ .................. 40
2.4.3 Thiết lập hệ đo quang-từ với nguồn ánh sáng laser đỏ ........................................ 45
2.4.4 Thiết lập hệ đo quang-từ với các ánh sáng đơn sắc khác nhau ............................ 46
2.5 Kết luận chương 2 ...................................................................................................... 49
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG HÌNH THÁI CẤU TRÚC DẠNG
HẠT CỦA CÁC MÀNG MỎNG Co-Al2O3 VÀ Co-Ag..................................................... 50
3.1 Một số đặc trưng cấu trúc và tính chất từ của hệ Co-Al2O3 ....................................... 50
3.1.1 Tỉ lệ thành phần Co trong màng mỏng Co-Al2O3 ................................................ 50
3.1.2 Hình thái cấu trúc bề mặt thông qua ảnh SEM .................................................... 53
3.1.3 Hình thái cấu trúc thông qua ảnh AFM ............................................................... 54
3.1.4 Hình thái vi cấu trúc thông qua giản đồ XRD ..................................................... 56
3.1.5 Tính chất từ của hệ màng mỏng Co-Al2O3 .......................................................... 59
3.2 Một số đặc trưng cấu trúc và tính chất từ của hệ Co-Ag ........................................... 62
3.2.1 Tỉ lệ thành phần Co trên màng mỏng Co-Ag....................................................... 62
3.2.2 Hình thái cấu trúc bề mặt thông qua ảnh SEM .................................................... 64
3.2.3 Hình thái màng mỏng dạng hạt thông qua ảnh TEM ........................................... 67
3.2.4 Khảo sát cấu trúc màng mỏng thông qua phổ nhiễu xạ điện tử (ED) .................. 68
3.2.5 Hình thái cấu trúc thông qua ảnh AFM ............................................................... 68
3.2.6 Tính chất từ của hệ Co-Ag ................................................................................... 71
3.3 Kết luận chương 3 ...................................................................................................... 72
CHƯƠNG 4: HIỆN TƯỢNG PLASMONIC TỪ Ở HỆ Co-Ag ......................................... 73
4.1 Biểu hiện plasmonic từ tính thông qua phổ truyền qua của ánh sáng nhìn thấy ở hệ
màng mỏng dạng hạt Co - Ag .......................................................................................... 74
4.1.1 Phổ truyền qua của hệ màng mỏng Co-Ag .......................................................... 74
ii


4.1.2 Sự phụ thuộc của phổ truyền qua vào tỉ lệ Co và từ trường ngoài ...................... 75

4.1.3 Hiện tượng plasmonic từ tính trên hệ mẫu màng mỏng Co-Ag........................... 78
4.2 Biểu hiện plasmonic từ tính thông qua phổ phản xạ của ánh sáng nhìn thấy ở hệ
màng mỏng dạng hạt Co - Ag .......................................................................................... 79
4.2.1 Phổ phản xạ phụ thuộc vào tỉ lệ hạt sắt từ Co trong mẫu .................................... 80
4.2.2 Ảnh hưởng của từ trường lên phổ phản xạ của màng mỏng Co-Ag .................... 82
4.2.3 Về biểu hiện của hiện tượng plasmonic từ tính trên hệ mẫu Co-Ag ................... 85
4.3 Kết luận chương 4 ...................................................................................................... 89
CHƯƠNG 5: HIỆN TƯỢNG PLASMONIC TỪ Ở HỆ Co-Al2O3..................................... 90
5.1 Nghiên cứu thực nghiệm phổ truyền qua ở màng mỏng dạng hạt Co - Al2O3 ........... 91
5.1.1 Sự truyền qua phụ thuộc từ trường và tỉ lệ Co của ánh sáng laser đỏ. ................ 91
5.1.2 Sự truyền qua phụ thuộc vào hướng của từ trường ngoài .................................... 95
5.2 Cơ chế tương tác magnon-plasmon ở màng mỏng dạng hạt Co-Al2O3 ..................... 98
5.2.1 Mô hình cho cơ chế tương tác photon-magnon ................................................... 98
5.2.2 Cơ chế ghim magnon trong tương tác magnon-plasmon ................................... 103
5.3 Kết luận chương 5 .................................................................................................... 106
KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................................ 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... A
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................................ N

iii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt
AFM
AMR
CVD
ED
EDS

FE
FM
GMR
GGG
IG
LSP
MBE
MEF
MGF
NM
PVD
RF
RKKY
Interraction
SEM
SERS
SNOM
SPE
EELS
SPP
SPR
TEM
TMR
XRD

Tên tiếng Anh đầy đủ
Atomic Force Microscope
Anisotropic Magnetoresistance
Chemical Vapor Deposition
Electron Diffraction

Energy Dispersion
Spectroscopy
Flash Evaporation
Ferromagnetic Material
Giant Magneto-Resistance
Gadolinium Gallium Garnet
Iron Garnet
Local Surface Plasmon
Molecular Beam Epitaxy
Metal Enhancement
Fluorescent
Magnetic granular thin film
Nonmagnetic Material
Physical Vapor Deposition
Radio Frequency
Ruderman-Kittel-KasuayaYosida Interraction
Scanning Electron Microscope
Surface Enhanced Raman
Spectroscopy
Near-field Scanning Optical
Microscope
Spinplasmonic electron
Electron Energy Loss
Spectroscopy
Surface Polariton Plasmon
Surface Plasmon Resonance
Transmission Electron
Microscope
Tunneling Magnetoreristance
X-ray Diffraction

iv

Dịch nghĩa
Kính hiển vi lực nguyên tử
Từ điện trở dị hướng
Lắng đọng pha hơi hóa học
Nhiễu xạ điện tử
Phổ tán sắc năng lượng
Bốc bay nổ
Vật liệu sắt từ
Từ điện trở khổng lồ
Tinh thể định hướng GGG
Tinh thể Iron Garnet
Plasmon bề mặt định xứ
Phương pháp epitaxy chùm
phân tử
Huỳnh quang tăng cường
nhờ kim loại
Màng mỏng từ dạng hạt
Vật liệu phi từ
Lắng đọng pha hơi vật lý
Tần số Radio
Tương tác RKKY
Kính hiển vi điện tử quét
Tán xạ Raman tăng cường
bề mặt
Kính hiển vi quang học
quét trường gần
Điện tử spinplasmonic

Phổ tổn hao năng lượng
điện tử
Plasmon polariton bề mặt
Cộng hưởng plasma bề mặt
Kính hiển vi điện tử truyền
qua
Từ điện trở xuyên ngầm
Nhiễu xạ tia X


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Phổ đặc trưng suy giảm năng lượng điện tử [90]. ...................................... 9
Hình 1.2 Phân loại plasmon [76]. ............................................................................ 10
Hình 1.3 Plasmon bề mặt định xứ [19]..................................................................... 11
Hình 1.4 Chiếc cốc Lycurgus [34]. ........................................................................... 12
Hình 1.5 Sơ đồ thực nghiệm và mẫu khảo sát spinplasmonic [30]. ......................... 14
Hình 1.6 Phổ truyền qua của tinh thể Plasmonic [96]. ............................................ 15
Hình 1.7 Kết quả phổ truyền qua tinh thể plasmon từ với cấu trúc hốc nano (đường
kính 150 nm và chu kì là 400 nm ) trên bề mặt mẫu. Một sóng phân cực thẳng tới
vuông góc trên tinh thể từ phía không khí [96]. ....................................................... 16
Hình 1.8 Sự kích thích dao động plasmon bề mặt lưỡng cực của hạt nano [96]. .... 17
Hình 1.9 Khi các vi hạt Co/Au được đặt trong từ trường ngoài, các electron trong
các hạt Co bị phân cực spin [11].............................................................................. 18
Hình 1.10 Cơ chế của hiện tượng plasmon-spin [58]. ............................................. 19
Hình 1.11 Chuẩn hóa biên độ điện trường của sóng THz truyền qua hạt Co-0%Au
(hình thoi), Co-35%Au (hình tròn) và Co-42%Au(hình vuông) dưới tác dụng của từ
trường B// [58]........................................................................................................... 20
Hình 1.12 Chuẩn hóa biên độ điện trường của sóng THz truyền qua hạt Co-0%Au
(hình thoi), Co-35%Au (hình tròn) và Co-42%Au(hình vuông) dưới tác dụng của từ
trường B [58]. ........................................................................................................ 21

Hình 1.13 Plasmon tạo bởi từ trường không đồng nhất [114]. ................................ 23
Hình 1.14 Hiệu ứng phân cực spin của electron trong nguyên tử từ [114]. ............ 24

v


Hình 1.15 Spin trên phổ tiêu hao năng lượng của các phương Gd/Mo (112) ở 0(a),
1/2(b), 3/4 (c) và 5/4 (d)[49]..................................................................................... 25
Hình 1.16 Bất đối xứng spin của kích thích plasmon (hình vuông) tại năng lượng
tiêu hao khoảng 5 eV và Drude (vòng tròn) với năng lượng tiêu hao cỡ 1,5 eV như
một chức năng của vector sóng [43]. ....................................................................... 26
Hình 1.17 Phổ tổn hao năng lượng trên Gd/Mo (112) ở trung tâm các vùng
Brillouin 200K và 300K [49]. ................................................................................... 27
Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo máy phún xạ........................................................................ 30
Hình 2.2 Bia ghép Al2O3-Co. .................................................................................... 32
Hình 2.3 Sơ đồ hệ bốc bay nổ trong chân không. .................................................... 35
Hình 2.4 Nguyên lí hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử AFM [14]. ............... 38
Hình 2.5 Sơ đồ thực nghiệm khảo sát hệ số truyền qua phụ thuộc từ trường ngoài.
.................................................................................................................................. 39
Hình 2.6 Sơ đồ thực nghiệm khảo sát hệ số phản xạ phụ thuộc từ trường ngoài. ... 39
Hình 2.7 Sơ đồ thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của dòng quang điện của quang
trở vào cường độ chiếu sáng đến quang trở............................................................. 41
Hình 2.8 Sự phụ thuộc của điện trở của quang trở vào cường độ sáng .................. 41
Hình 2.9 Laser He- Ne gồm đầu phát Laser(a) và nguồn cao áp (b). ..................... 42
Hình 2.10 Khảo sát sự phụ thuộc của từ trường trong cuộn cảm vào cường độ dòng
điện bằng máy đo từ Gauss. ..................................................................................... 43
Hình 2.11 Sự phụ thuộc của từ trường B vào cường độ dòng điện. ......................... 44
Hình 2.12 Hệ đo quang-từ sử dụng detector là đầu đo công suất. (1) nguồn laser
đỏ, (2) kính phân cực, (3) cuộn dây tạo từ trường, (4) thấu kính hội tụ, (5) đầu đo
công suất, (6) nguồn một chiều, (7) ôm kế, (8) nguồn cao áp của laser He-Ne. ..... 45

vi


Hình 2.13 Hệ đo quang-từ sử dụng detector là quang trở CdS. (1) nguồn laser đỏ,
(2) kính phân cực, (3) cuộn dây, (4) thấu kính hội tụ, (5) quang trở CdS, (6) nguồn
một chiều, (7) ampe kế, (8) ôm kế, (9) nguồn cao áp của laser He-Ne.................... 46
Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý khảo sát hệ số truyền qua phụ thuộc từ trường ngoài. . 46
Hình 2.15 Thiết bị lock-in DSP 7225. ...................................................................... 47
Hình 2.16 Hệ tán sắc ánh sáng CARLZEISS JENA. .............................................. 47
Hình 2.17 Chopper tạo xung. ................................................................................... 48
Hình 2.18 Hệ đo quang-từ với các ánh sáng đơn sắc khác nhau. (1) máy quang phổ;
(2) chopper; (3) kính phân cực; (4) và (4’) thấu kính hội tụ; (5) nam châm; (6) cảm
biến quang trở CdS; (7) bộ khuếch đại lock-in DSP 7225; (8) nguồn một chiều. ... 49
Hình 3.1 Mối quan hệ giữa tỉ lệ % nguyên tử Co trên mẫu so với tỉ lệ diện tích bia.
.................................................................................................................................. 52
Hình 3.2 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng Co(24%)-Al2O3 tẩm thực NaOH 10 phút.
.................................................................................................................................. 53
Hình 3.3 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng Co(24%)-Al2O3 đã tẩm thực NaOH 5 phút.
.................................................................................................................................. 53
Hình 3.4 Ảnh AFM (chế độ “height”) của mẫu màng mỏng Co(15%)-Al2O3 chưa ủ
nhiệt (a), và sau khi ủ nhiệt ở 250oC trong 1h (b). ................................................... 54
Hình 3.5 Ảnh AFM (chế độ “height”) của mẫu màng mỏng Co(40%)-Al2O3 chưa ủ
nhiệt (a), và sau khi ủ nhiệt ở 250oC trong 1h (b). ................................................... 54
Hình 3.6 Ảnh AFM được trích xuất từ các ảnh AFM của các mẫu màng mỏng
Co(15%)-Al2O3 và Co(40%)-Al2O3 sau khi đã ủ nhiệt ở 250oC trong vòng 1h . ..... 55
Hình 3.7 Minh họa mặt cắt của bề mặt ghi nhận được bằng AFM của các mẫu
màng mỏng Co-Al2O3, thể hiện các hạt/chùm nguyên tử Co cô lập được bao bởi lớp
nền Al2O3. ................................................................................................................. 56
vii

Hình 3.8 Giản đồ XRD của mẫu màng mỏng dạng hạt Cox(Al2O3)1-x với x = 0.27. 57
Hình 3.9 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(x%)-Al2O3 với từ
trường vuông góc bề mặt mẫu với x = 6, 16, 27, 49. ............................................... 59
Hình 3.10 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(27%)-Al2O3........ 61
Hình 3.11 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(27%)-Al2O3 với từ
trường theo hai phương song song và vuông góc với bề mặt mẫu........................... 61
Hình 3.12 Đường cong từ trễ của mẫu màng mỏng dạng hạt Co(49%)-Al2O3........ 62
Hình 3.13 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(8%)-Ag. ............................ 62
Hình 3.14 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(15%)-Ag. .......................... 63
Hình 3.15 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(25%)-Ag. .......................... 63
Hình 3.16 Kết quả phân tích EDS mẫu màng mỏng Co(50%)-Ag. .......................... 63
Hình 3.17 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(23%)-Ag bốc bay nổ.
.................................................................................................................................. 65
Hình 3.18 Ảnh SEM của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(20%)-Ag phún xạ. ... 65
Hình 3.19 So sánh hình thái bề mặt qua ảnh SEM của các mẫu màng mỏng được
bốc bay nổ với tỷ lệ Co khác nhau............................................................................ 65
Hình 3.20 Ảnh SEM của mẫu Co(27%)-Ag sau khi bắn phá ion. ............................ 66
Hình 3.21 Ảnh SEM của mẫu Co(20%)-Ag sau khi bắn phá ion. ............................ 66
Hình 3.22 Ảnh TEM của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(22%)-Ag bốc bay nổ.
.................................................................................................................................. 67
Hình 3.23 Ảnh ED của mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co(22%)-Ag. ................... 68
Hình 3.24 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng Co(22%)-Ag. ............................... 69
viii


Hình 3.25 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng Co(27%)-Ag. ............................... 69
Hình 3.26 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng 100% Co. ..................................... 70
Hình 3.27 Ảnh AFM của mẫu màng mỏng dạng 100% Ag. ..................................... 70
Hình 3.28 Tính chất từ của một số màng mỏng từ dạng hạt Co-Ag. ....................... 71

Hình 4.1 Phổ truyền qua của các màng mỏng Cox-Ag với x = 0 và x = 27% nguyên
tử, khi không có từ trường (B = 0) và có từ trường tác dụng (B = 500 G). ............. 75
Hình 4.2 Phổ truyền qua của các màng mỏng Cox-Ag với các x khác nhau, trong
khoảng 0 – 63 % nguyên tử, khi không có từ trường (B = 0) và có từ trường tác
dụng (B = 500 G). .................................................................................................... 75
Hình 4.3 Sự biến thiên có dạng dao động tắt dần theo tỷ lệ thành phần Co (x trong
khoảng 0  63% nguyên tử) của hệ số truyền qua quan sát tại các bước sóng

 = 560 nm (a) và 660 nm (b). ................................................................................. 77
Hình 4.4 Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co khi B=0. ........................................................... 80
Hình 4.5 Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co khi B=0. ........................................................... 81
Hình 4.6 Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co ứng với bước sóng 660 nm khi B = 0. ............. 81
Hình 4.7 (a) Phổ phản xạ của màng mỏng với x = 7% khối lượng Co-Ag dưới tác
dụng của từ trường ngoài có cường độ khác nhau, B = 0  500 G. (b) Vùng phổ
dưới bước sóng dài được tách từ hình (a) để thấy rõ xu hướng biến thiên theo
cường độ từ trường ngoài. ........................................................................................ 82
Hình 4.8 Phổ phản xạ của ánh sáng trên bề mặt mẫu màng mỏng có các tỷ lệ Co
khác nhau với tác dụng của từ trường ngoài B = 0 và 500 Gs: (a) x = 0; (b) x ~
0.04; (c) x ~ 0.06; (d) x ~ 0.07. ............................................................................... 83
Hình 4.9 1.6Mô phỏng cơ chế tương tác magnon-plasmon. .................................... 85

ix


Hình 5.1 Tỷ số truyền qua phụ thuộc từ trường của chùm tia laser đỏ đối với các
màng mỏng Cox-Al2O3 có tỷ lệ Co khác nhau: x = 16%(hình a), 27% (hình b), 49%
(hình c), 63% (hình d) và 100%(hình e). Các đường chấm ngang thể hiện các mức
nền truyền qua khi x nhỏ (≤ 49 %) và các mức trần truyền qua khi x lớn (> 49 %).
.................................................................................................................................. 92
Hình 5.2 Quan hệ giữa cường độ chùm laser tới J0 , và truyền qua được JT phụ

thuộc vào lượng hạt, hay chùm nguyên tử, Co ít (a) hay nhiều (b) trong nền Al2O3.
.................................................................................................................................. 93
Hình 5.3 (a) Cơ chế plasmonic, (b) và cơ chế spinlasmonics [7]. ......................... 103
Hình 5.4 Mô phỏng cơ chế tương tác magnon-plasmon. ......................................... 99
Hình 5.5 (a) Một tia sáng của ánh sáng nhìn thấy tác động vào màng mỏng từ dạng
hạt đặt trong một từ trường ngoài có thể điều chỉnh được. (b) Minh họa sự tương
quan giữa hình học (x, y, z, φ), quang học (trục quang, B0, E0) và từ trường (Hinit,
Mi, H) là các yếu tố ảnh hưởng. (c) Biểu hiện của hiện tượng plasmonic với điện
trường phân cực E’ trong màng mỏng từ dạng hạt với kích thước D  . (d) và (e)
Các hạt siêu thuận từ trong màng mỏng dạng hạt Co-Al2O3 khi có hoặc không có từ
trường ngoài H. ...................................................................................................... 105
Hình 5.6 Sự phụ thuộc của hệ số truyền qua vào hướng của từ trường ngoài. ....... 96
Hình 5.7 (a) Minh hoạ về cơ chế hiện tượng plasmonic cho các spin trong các màng
mỏng từ dạng hạt bị tác động bởi ánh sáng. (b) Các spin bị phân cực thể hiện bằng
vectơ từ độ Mi khi chịu tác động của từ trường B0 và bị phân cực điện bởi E’ do
chịu tác động của điện trường E0. (c)-(h) Minh họa sự tương tác photon-magnon
dưới tác dụng của từ trường H thay đổi theo góc . .............................................. 102
Hình 5.8 (a) Hệ số truyền qua khi φ = 0 là một hàm của tỉ lệ Co trong mẫu (x), với
các ánh sáng có bước sóng khác nhau. (b) Hệ số truyền qua khi φ = 0o là một hàm
của bước sóng () với các mẫu có tỉ lệ % Co khác nhau. (c) Hệ số truyền qua khi
φ = 45o là một hàm của bước sóng () với các mẫu có tỉ lệ % Co khác nhau. ....... 98
x


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngay từ thế kỉ thứ tư sau công nguyên người ta đã biết đến một hiện tượng rất lý
thú là ánh sáng ứng với tần số xác định có thể truyền qua hay bị chặn lại bởi chiếc
cốc Lycurgus [30] được làm từ thủy tinh có pha các hạt kim loại Au kích thước vài
chục nanomét [65]. Tuy nhiên, đến tận thế kỉ 20 hiện tượng này mới được đề cập

đến một cách khoa học. Vào những năm cuối thế kỉ 20, nhiều nghiên cứu cho thấy
có thể thực hiện việc định xứ (nhốt hay giam hãm) sóng điện từ ở tại bề mặt của
kim loại bằng hiện tượng phân cực plasmon bề mặt. Từ những năm 2000 trở đi, khi
các kỹ thuật chế tạo nano phát triển, vấn đề dẫn truyền hay định xứ sóng điện từ có
thể thực hiện được dễ dàng, các linh kiện quang-điện tử hiện đại sử dụng hiện tượng
kích thích các trạng thái dao động plasmon bề mặt đã hình thành nên một nhánh
công nghệ mới có tên “plasmonics” (2001).
Trên thế giới, đã có nghiên cứu tổng quan về vật liệu plasmonic [74] và có nhiều
nghiên cứu về các tính chất của vật liệu plasmonic như sự phân cực siêu nhanh [25],
điều kiện xảy ra hiện tượng plasmonic trên bề mặt kim loại [96], tính chất quang
thay đổi khi chịu tác dụng của lực điện từ [56]. Đặc biệt, hiện tượng plasmonic đã
được nghiên cứu theo hướng ứng dụng để chế tạo pin mặt trời [72][51][124] nhằm
tăng hiệu suất của pin so với các vật liệu bán dẫn thông thường.
Ở Việt Nam, tại thời điểm tác giả bắt đầu thực hiện đề tài của mình, chưa thấy có
công bố nào nghiên cứu về hiện tượng plasmonic, vật liệu plasmonic và các tính
chất của loại vật liệu này. Do đó, hiện tượng plasmonic là một hiện tượng còn rất
mới ở nước ta.
Đề tài nghiên cứu “Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ Co trong các
màng mỏng Co-Ag và Co-Al2O3” được tác giả thực hiện tại Viện Đào tạo Quốc tế
về Khoa học Vật liệu (ITIMS)-ĐHBK Hà Nội nhằm làm cơ sở để phát triển nghiên
cứu và ứng dụng một lĩnh vực mới về plasmonics ở trong nước, là một yêu cầu có
tính cấp thiết nhằm phát triển nghiên cứu và ứng dụng mới đối với các vật liệu từnano hiện đại ở nước ta.

1


2. Mục tiêu
• Nghiên cứu tiếp cận được các hiện tượng có liên quan đến tương tác
spin-plasmon trong dải sóng điện từ có bước sóng lớn hơn kích thước hạt: Sử
dụng ánh sáng nhìn thấy (~300800 nm), trong khi các hạt sắt từ nano được

quan tâm thường có kích thước phổ biến trong khoảng dưới 100 nm.
• Tạo ra được hệ thống mẫu màng mỏng từ dạng hạt nano với tỷ phần sắt từ khác
nhau và thiết lập được hệ đo và phương pháp đo thích hợp để khảo sát các tính
chất hay đặc trưng đáp ứng quang phụ thuộc vào từ trường ngoài.
• Tìm hiểu về tương tác magnon-plasmon, cũng là phản ánh bản chất của tương
tác photon-spin, thông qua phổ truyền qua và phổ phản xạ của ánh sáng phụ
thuộc vào từ trường ngoài và tỉ lệ % nguyên tử Co trong màng mỏng.
3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
• Để giải quyết các vấn đề đặt ra trong các mục tiêu trên đây, trước hết việc chế
tạo mẫu để thực hiện nghiên cứu phải có cấu trúc dạng hạt nano là yếu tố hàng
đầu. Vì vậy các hệ màng mỏng Co-Al2O3 và Co-Ag, là những kiểu cấu trúc
nano từ tiếp xúc dị thể sắt từ-phi từ tiêu biểu và thích hợp để nghiên cứu hiện
tượng plasmonic. Nhóm nghiên cứu spintronics của Viện ITIMS đã có kinh
nghiệm nhiều năm về chế tạo và nghiên cứu các tính chất vật lý của những hệ
như vậy. Do đó đây sẽ là một thuận lợi lớn đối với luận án.
• Việc tìm hiểu những đặc trưng về cấu trúc và tính chất từ của các hệ màng mỏng
từ dạng hạt cũng đã được thực hiện ở luận án này, mặc dù đây là những hệ đã
được nhóm nghiên cứu khảo sát khá nhiều và chi tiết ở những nghiên cứu trước
đây đối với những hệ tương tự (như sử dụng các phép đo XRD, ED, SEM, TEM,
AFM, VSM). Tuy nhiên ở đây chúng tôi tập trung nhiều hơn vào sử dụng các
phép đo quang-từ (chủ yếu là các phép đo sự truyền qua và phản xạ có và không
có tác dụng của từ trường ngoài) để khảo sát và tìm hiểu các cơ chế đối với các
hiện tượng liên quan đến hiện tượng plasmonic ở các hệ mẫu màng mỏng từ
dạng hạt nano Co-Al2O3, Co-Ag. Vì vậy, một trong những vấn đề quan trọng ở
luận án này là thiết lập được hệ đo quang trong từ trường quang-từ và không có
từ trường, và tìm hiểu các phép đo phối hợp khác nữa, đã được triển khai. Trên
cơ sở thiết lập được hệ đo quang-từ tốt, và đặc biệt là loại trừ được yếu tố của
2

các hiệu ứng quang-từ thường gặp, như hiệu ứng Kerr-Faraday, những kết quả
khả quan nhất đã được tổng hợp và trình bày trong luận án.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• Ý nghĩa khoa học của đề tài nghiên cứu ở luận án này, là vấn đề tìm hiểu về tính
phụ thuộc spin của hiện tượng plasmonic, trước hết thể hiện ở chỗ, đây là lần
đầu tiên ở trong nước tiếp cận đến nghiên cứu một lĩnh vực còn khá mới mẻ
không chỉ ở trong nước, và cũng chỉ mới xuất hiện gần đây trên thế giới, nhưng
còn chưa được quan tâm nhiều. Vì vậy nhiều tri thức khoa học và công nghệ mới
sẽ có khả năng được tìm tòi, được khám phá. Ví dụ như các hiện tượng xuất phát
từ tương tác giữa photon với mạng spin của các điện tử trong hạt nano từ đã tạo
nên hiện tượng hiện tượng plasmonic, hay tương tác giữa các photon với
magnon, một trạng thái kích thích dao động tuế sai của mạng spin dưới tác dụng
của từ trường ngoài hay không có từ trường ngoài, trong đó thành phần B của
sóng điện từ kích thích lên các spin trong các hạt từ nano.
• Các kết quả thu được của luận án đã gợi ý về một cách tiếp cận thực nghiệm để
tìm hiểu về cơ chế và quá trình tương tác giữa photon của ánh sáng với mạng
spin, thông qua các hạt nano từ.
• Kết quả nghiên cứu về hiện tượng plasmonic trên của các hạt nano Co trong các
màng mỏng Co-Ag và Co-Al2O3 của luận án, thể hiện qua sự biến đổi của những
tính chất truyền qua/phản xạ đối với hệ các hạt sắt từ nano, những tính chất
quang đó bị điều biến khác thường bởi các yếu tố từ tính của hệ, như nồng độ
hạt Co, cường độ và hướng từ trường tác dụng lên các hạt nano Co, và những
tính chất đó còn phụ thuộc vào năng lượng photon kích thích plasmon, là những
đóng góp đã được ghi nhận cho sự phát triển của khoa học nano và công nghệ
vật liệu nano nói chung, công nghệ quang-spin và ứng dụng spintronics nói riêng
(thông qua các công bố quốc tế có uy tín).
• Về mặt thực tiễn, các hiện tượng hiện tượng plasmonic hứa hẹn mở ra những
ứng dụng rất độc đáo và hữu ích trong đời sống hiện đại, điển hình là các ứng
dụng trong công nghệ chuyển mạch quang lượng tử, thông tin quang lượng tử,
tàng hình.

5. Những điểm mới của luận án
3


Trong quá trình thực hiện luận án, chúng tôi đã thiết lập và tiến hành được một số
những hoạt động và kỹ thuật thực nghiệm có tính mới trong việc tiến hành nghiên
cứu của luận án ở trong nước và công bố quốc tế, gồm hai điểm nổi bật như sau:
• Phát triển được kỹ thuật bốc bay nổ trong chân không (Flash Evaporation, FE)
áp dụng trong việc chế tạo các mẫu màng mỏng có kiểu cấu trúc dạng hạt nano,
như ở hệ Co-Ag. Mặc dù kỹ thuật bốc bay nổ trong chân không đã được thực
hiện từ lâu. Tuy nhiên, cho đến nay chưa thấy có công bố nào, cả ở trong và
ngoài nước, đề cập đến việc áp dụng kỹ thuật này để chế tạo các cấu trúc dạng
hạt nano, tương tự như đã áp dụng trong luận án này. Vì vậy đây là lần đầu tiên,
và cũng thể hiện tính mới của luận án, ở trong nước đã sử dụng kỹ thuật này cho
hệ màng mỏng cấu trúc dạng hạt nano.
• Thiết lập được hệ đo quang-từ nhằm khảo sát sự phụ thuộc của hệ số truyền qua
và hệ số phản xạ của ánh sáng laser đỏ và ánh sáng đơn sắc (sử dụng hệ tán sắc
ánh sáng trắng) trên các màng mỏng từ dạng hạt Co-Al2O3 và Co-Ag vào tỉ lệ %
nguyên tử Co trong màng, bước sóng của ánh sáng và từ trường ngoài (cả hướng
và độ lớn). Tìm hiểu sơ bộ ở trong nước trong thời gian gần đây, chúng tôi chưa
phát hiện thấy có đơn vị nghiên cứu nào đã từng thiết lập một hệ thực nghiệm
truyền qua và phản xạ của ánh sang trong điều kiện có từ trường thay đổi được
cả về cường độ và hướng tác dụng lên mẫu, như hệ thực nghiệm đã được chúng
tôi thiết lập.
Về mặt khoa học, những điểm mới về học thuật được thể hiện qua những điểm
chính sau đây:
• Lần đầu tiên chế tạo thành công màng mỏng từ có cấu trúc dạng hạt nano Co-Ag
bằng kỹ thuật bốc bay nổ trong chân không.
• Lần đầu tiên quan sát được xu hướng biến đổi khá bất thường ở các tính chất
phản xạ/truyền qua của ánh sáng đối với đám các hạt nano sắt từ Co có kích

thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng kích thích, có nồng độ khác
nhau, và được phân tán ở trong các môi trường nền khác nhau: dẫn điện tốt (Ag)
và cách điện tốt (Al2O3), không có và có từ trường với cường độ và hướng tác
dụng lên các hạt nano Co thay đổi, và cả khi các bước sóng của ánh sáng kích
thích khác nhau.
4


• Tác giả, cùng với thầy hướng dẫn, đã đề xuất được mô hình mô tả về cơ chế
tương tác photon- magnon, phản ánh tương tác photon-spin, nhằm giải thích cho
các hành vi đáp ứng quang đã ghi nhận được trong luận án (đã được công bố
quốc tế). Cụ thể, ở đó đã mô tả cho thấy rõ quá trình tương tác giữa các thành
phần véc-tơ từ trường B và điện trường E của sóng ánh sáng (photon) với các
spin điện tử S và từ độ M của các hạt nano Co có kích thước D nhỏ hơn nhiều so
với bước sóng λ của ánh sáng kích thích như thế nào dưới tác dụng và không có
tác dụng của từ trường ngoài H, khi cường độ và hướng của từ trường tác dụng
bị thay đổi.
6. Cấu trúc của luận án
Luận án gồm 103 trang, ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được chia làm 05
chương với các nội dung chính như sau:
Chương 1: Tổng quan về hiện tượng plasmonic
Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về plasmon, plasmonic,
spinplasmons và cơ chế tương tác magnon-plasmon.
Chương 2: Thực nghiệm
Ở đây, chúng tôi nêu ra các phương pháp thực nghiệm đã sử dụng trong luận án
để chế tạo mẫu màng mỏng dạng hạt như: phún xạ Catốt, bốc bay nổ trong chân
không; các phương pháp khảo sát tính chất màng mỏng dạng hạt như: SEM, EDS,
AFM, TEM, VSM, XRD. Đặc biệt, trong chương này chúng tôi trình bày về việc
thiết lập thành công hệ đo quang-từ nhằm khảo sát các hiện tượng plasmonic trên
các màng mỏng dạng hạt nano tại PTN Quang lượng tử-Khoa Vật lý-Trường

ĐHKHTN-ĐHQG Hà Nội.
Chương 3: Nghiên cứu một số đặc trưng hình thái cấu trúc dạng hạt
Hệ thống mẫu màng mỏng dạng hạt nano Co-Al2O3 được tiến hành chụp SEM,
XRD, AFM và khảo sát hình thái dạng hạt thông qua khảo sát tính chất từ trên máy
VSM. Các màng mỏng dạng hạt nano Co-Ag chế tạo bằng phương pháp bốc bay nổ
và phún xạ cũng được tiến hành chụp SEM, TEM, ED và khảo sát tính chất từ trên
máy VSM nhằm quan sát được hình thái dạng hạt trên màng.
Chương 4: Hiện tượng plasmonic trên hệ mẫu Co-Ag

5


Trình bày các kết quả nghiên cứu về hệ số truyền qua và hệ số phản xạ phụ thuộc
từ trường ngoài và bước sóng của ánh sáng chiếu tới, tỉ lệ % Co trong màng và độ
lớn của từ trường ngoài. Đặc biêt, chúng tôi đã phát hiện thấy biểu hiện của hiện
tượng plasmonics trong các cấu trúc nano kim loại dị thể dạng hạt Co-Ag. Đồng
thời, chúng tôi đã chế tạo thành công màng mỏng dạng hạt nano bằng phương pháp
bốc bay nổ, đây là phương pháp chưa từng được sử dụng để chế tạo loại màng này ở
trong nước cũng như trên thế giới.
Chương 5: Hiện tượng plasmonic trên hệ mẫu Co-Al2O3
Trình bày các kết quả nghiên cứu về sự phụ thuộc của hệ số truyền qua vào tỉ lệ
% Co trong mẫu, bước sóng của ánh sáng kích thích và từ trường ngoài (cả hướng
và độ lớn). Hơn nữa, chúng tôi đã vận dụng được cơ chế tương tác magnon-plasmon
để giải thích các kết quả thu được.
Phần cuối của luận án trình bày các kết luận và kiến nghị.

6


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG PLASMONIC

Trong nhiều thập kỷ qua plasmonics đã phát triển mạnh mẽ, đặc biệt ở trong lĩnh
vực vật lý và quang học của các chất ngưng tụ. Sự kích thích tập thể của các hệ điện
tử đã được cho thấy hết sức rõ rệt qua những tính chất tương tác giữa ánh sáng và
vật chất đối với rất nhiều hệ vật liệu khác nhau. Với sự phát triển và những thành
tựu của khoa học nano và công nghệ chế tạo vật liệu nano từ khoảng đầu thế kỷ 21
đến nay, nhiều hệ vật liệu nano khác nhau, từ các dạng màng mỏng, dạng sợi/dây
nano cho đến các dạng hạt/chùm hạt nano đã thu hút được sự quan tâm to lớn vì
chúng cho thấy nhiều đặc tính plasmonic đặc biệt. Trong số các vật liệu nano, các
kim loại quý đã nhận được sự quan tâm đáng kể nhờ cả hiện tượng plasmon bề mặt
và khối diễn ra hết sức mạnh mẽ do mật độ trạng thái (DOS) cao của chúng ở mức
Fermi, nên rất dễ dàng được kích thích tập thể. Các tính chất quang học, như truyền
qua, phản xạ hay hấp thụ, của vật liệu càng trở nên bất thường hơn khi tương tác với
ánh sáng kích thích có bước sóng lớn hơn nhiều so với kích thước của vật liệu.
Plasmon bề mặt là những dao động tập thể của các điện tử tự do được hình thành
trên bề mặt tiếp xúc giữa kim loại và điện môi do sự dao động tập thể của các điện
tử dẫn [132], chúng lan truyền dọc theo bề mặt lớp tiếp xúc, được gọi là sóng
plasmon bề mặt. Plasmon bề mặt định xứ cao tại bề mặt của các hạt nano kim loại
được gọi là plasmon bề mặt định xứ [68][136]. Các trường điện từ tạo ra sự cộng
hưởng plasmon bề mặt định xứ trên bề mặt của hạt nano kim loại, gây ra sự hấp thụ,
tán xạ ánh sáng mạnh, và làm tăng cường các trường điện từ định xứ (thực hiện định
xứ năng lượng điện từ) hoặc làm thay đổi sự phân bố trường điện từ ở mức độ nhỏ
hơn bước sóng ánh sáng [73]. Vì plasmonics là sự tổ hợp của điện tử học
(electronics) và quang tử học nano (nano-photonics), vì vậy các hiện tượng plasmon
bề mặt định xứ được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quan trọng, như tán
xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) [80][27], huỳnh quang tăng cường nhờ kim
loại (MEF) [127], hấp thụ hồng ngoại tăng cường bề mặt và tán xạ Rayleigh tăng
cường. Sóng plasmon bề mặt có ứng dụng lý thú do có khả năng làm tăng cường
trường điện từ đáng kể, như kính hiển vi trường gần và cảm biến y sinh.

7

Trong số các kim loại, bạc và vàng là được xem là các ứng viên tốt nhất để làm
tăng cường các vùng hấp thụ plasmon bề mặt của chúng trong vùng ánh sáng nhìn
thấy. Vị trí và cường độ của đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt của các hạt nano kim
loại có thể được kiểm soát bằng kích thước, hình dáng, thành phần của hạt nano,
môi trường điện môi, tinh thể. Bên cạnh các nghiên cứu về các nano kim loại quý,
cho đến nay, các cấu trúc nano của các kim loại sắt từ như Co, Fe, CoFe... vẫn đang
tiếp tục được nghiên cứu trong khoa học nano [89][79][101]. Điều khiến cho các hạt
nano sắt từ hết sức được quan tâm về phương diện vật lý plasmonic và plasmonic từ
tính (magneto-plasmonic) chính là ở chỗ mật độ trạng thái điện tử DOS có tính phân
cực spin. Trong lĩnh vực điện tử học spin, người ta thường sử dụng hiệu ứng bơm
spin, nghĩa là thực hiện sự chuyển đổi mô-men góc spin, thông qua động lực học từ
độ ở trong một chất sắt từ, trở thành những spin điện tử dẫn ở trong một chất thuận
từ được gắn liền bên cạnh [73]. Khi có sự chuyển động của mômen từ trong chất
sắt từ được kích thích (ví dụ bằng ánh sáng), một dòng spin sẽ được bơm từ chất sắt
từ sang chất thuận từ. Các nghiên cứu gần đây về spintronics đã cho thấy có hai loại hiệu
ứng bơm spin. Một là bơm spin kết hợp, nghĩa là bơm do tuế sai pha kết hợp của từ

độ, trong đó các cộng hưởng sắt từ hoặc song spin có thể được kích thích bằng bức
xạ vi sóng [115][34][137]. Loại thứ hai là bơm spin không kết hợp, nghĩa là do
trạng thái không cân bằng của các spin ở bề mặt giao tiếp giữa sắt từ và thuận từ
(FM/PM) được kích thích bởi các nhiễu loạn không kết hợp ở bên ngoài. Khi đó
magnon (kích thích dao động của mạng spin trong chất sắt từ FM) và (hoặc) các
điện tử trong chất thuận từ PM bị chệch ra khỏi trạng thái cân bằng nhiệt, một dòng
spin thuần được phát ra qua bề mặt tiếp xúc FM/PM [13]. Một ví dụ điển hình của
việc bơm spin không kết hợp là spin Seebeck effect [13], ở đó các hàm phân bố
magnon/electron được điều biến bởi các gradient nhiệt độ bên ngoài. Liên quan tới
luận án này, quá trình kích thích bằng ánh sáng làm xuất hiện spin-plasmon sau đó
được điều biến bằng từ trường bên ngoài, cả về cường độ và phương, cũng sẽ dẫn

đến quá trình kích thích magnon mạnh và diễn ra cơ chế bơm spin không kết hợp.
Như vậy, spin-plasmonics còn là sự tổ hợp của điện tử học, quang tử học nano và
điện tử học spin (spintronics), làm cho các vấn đề spin-plasmonics hết sức được
quan tâm trong thời gian rất gần đây [95][73][116][85][93][117][130][99][110]
8


[118][88], và dẫn đến nhiều khả năng ứng dụng của spin-plasmonics còn phong phú
và sâu sắc hơn nữa.
1.1 Khái niệm về plasmon
Dao động plasma là dao động của mật độ hạt giống như dao động âm học ở trong
chất khí có điện nhưng bản chất của chúng hoàn toàn khác nhau. Thực vậy đối với
dao động âm học thì va chạm giữa các hạt khí đóng vai trò lập lại cân bằng mỗi khi
có thăng giáng mật độ, còn ở plasma thì lực tương tác giữa các hạt đóng vai trò này.
Những kích thích cơ bản tập thể tương ứng với dao động Plasma trong ngôn ngữ lý
thuyết gọi là Plasmon.

Hình 1.1 Phổ đặc trưng suy giảm năng lượng điện tử [102].
Thực nghiệm chứng tỏ sự tồn tại của Plasmon bằng cách đo phổ đặc trưng của
suy giảm năng lượng khi cho các chùm điện tử có năng lượng cỡ keV hoặc phản xạ
hoặc truyền qua các màng mỏng kim loại. Đặc biệt thí nghiệm về phản xạ chùm
điện tử trên bề mặt vật rắn còn cho thấy có hai loại Plasmon: loại trong khối và loại
bề mặt, chúng cho hai mũi nhọn sát nhau ở trên phổ đặc trưng của suy giảm năng
lượng như hình 1.1. Tóm lại, trong các cấu trúc kim loại thì các tính chất quang học
chủ yếu là do các electron dẫn của kim loại quyết định sự kích thích điện từ làm cho
9


những electron này dao động tập thể, tạo nên một hệ dao động được gọi là plasmon
trong không gian của cấu trúc kim loại đó. Như vậy plasmon là những dao động của

mật độ điện tử tự do trong kim loại. Khoa học về plasmon và ứng dụng được gọi là
plasmonics. Chú ý rằng plasmonics không tách rời với ánh sáng tác dụng lên những
tiếp xúc dị thể kim loại và điện môi ở kích thước nano nên có thể xem plasmonic là
quang học ở kích thước nano.
1.2 Phân loại plasmon
Tùy theo các điều kiện biên (phụ thuộc vào kích thước, hình dáng và hằng số
điện môi của cả kim loại và chất bao), các dao động có thể được phân loại thành
3 mode: plasmon khối, plasmon bề mặt và plasmon bề mặt định xứ được mô phỏng
như hình 1.2.

Hình 1.2 Phân loại plasmon [86].
• Plasmon khối (volume plasmons): Là các dao động tập thể của electron dẫn
trong khối kim loại và năng lượng của các lượng tử khoảng 10 eV.
• Plasmon bề mặt (surface plasmons): Plasmon bề mặt là những dao động tập
thể của điện tử dọc theo mặt tiếp xúc giữa kim loại-điện môi. Đơn giản hơn, ta
có thể định nghĩa Plasmon bề mặt là sự kích thích các electron bề mặt của kim
loại bằng nguồn sáng tới.
10


•

Plasmon bề mặt định xứ (Local Surface Plasmon, LSP): Plasmon bề mặt
định xứ là các dao động plasmon bị giam cầm trong cả 3 chiều không gian,
ví dụ trong trường hợp các hạt nano kim loại, mode dao động như hình 1.3.
Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dưới tác
dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng. Thông thường các dao
động bị dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút
mạng tinh thể trong kim loại. Nhưng khi kích thước của kim loại nhỏ hơn
quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữa mà điện

tử sẽ dao động cảm ứng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của
hạt nano có được do sự dao động tập thể của các điện tử dẫn đến quá trình
tương tác với bức xạ sóng điện từ.

Hình 1.3 Plasmon bề mặt định xứ [26].
Các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano bị phân cực điện tạo
thành một lưỡng cực điện, từ đó xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào
nhiều yếu tố nhưng các yếu tố về hình dáng, độ lớn của hạt nano và môi trường
xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất. Khi tần số của ánh sáng kích thích
bằng với tần số riêng của dao động mật độ điện tử sẽ xảy ra hiện tượng cộng hưởng
plasmon bề mặt định xứ. Sự kích thích của LSP bằng điện trường ánh sáng ở bước
sóng tới ứng với cộng hưởng sẽ dẫn đến tán xạ ánh sáng mạnh, xuất hiện dải hấp
thụ plasmon bề mặt mạnh và tăng cường trường điện từ cục bộ. Tần số và cường độ
trong dải hấp thụ plasmon bề mặt đặc trưng cho loại vật liệu, và rất nhạy với kích
11


thước, phân bố kích thước và dạng của cấu trúc nano cũng như là với môi trường
bao quanh. Đây là những thuộc tính quý báu dẫn đến những quan tâm ngày càng
tăng đối với LSP và việc chế tạo các sensor dựa trên LSP.
Gần đây các hạt nano và cấu trúc nano kim loại đã được sử dụng hiệu quả như
các thành phần trong một thiết bị quang học kích thước nano (nanoscale optical
devices) làm dẫn sóng, đóng ngắt quang, siêu thấu kính, thiết bị lưu trữ thông tin và
các bộ tán xạ ánh sáng cộng hưởng trong kính hiển vi quang học quét trường gần
(SNOM). Thuộc tính quang phi tuyến của vật liệu cũng được tăng cường đối với
các cấu trúc nano kim loại. Ở kích thước nano, tính chất quang học của các hạt nano
kim loại trở nên hết sức thú vị.

Hình 1.4 Chiếc cốc Lycurgus [43].
Hạt nano vàng, đồng trộn trong các sản phẩm gốm sứ làm cho các sản phẩm đó

có các màu sắc khác nhau đã được người La Mã sử dụng từ hàng ngàn năm trước
trong chiếc cốc Lycurgus hình 1.4, các hiện tượng này bắt nguồn từ sự cộng hưởng
Plasmon bề mặt. Màu sắc của chiếc cốc bắt nguồn từ các hạt nano kim loại trong
thủy tinh. Tại những vị trí ánh sáng truyền qua thủy tinh, ánh sáng có màu đỏ. Tại
những vị trí ánh sáng bị tán xạ gần bề mặt, ánh sáng tán xạ có màu xanh.
1.3 Điều khiển độ truyền qua của tinh thể plasmon từ bằng từ trường ngoài
Các polariton plasmon bề mặt (SPP), đang rất hấp dẫn do tiềm năng của chúng
trong rất nhiều ứng dụng nhằm đạt được và điều khiển sự truyền sáng trong các cấu
12


trúc kích thước nhỏ hơn bước sóng [39]. Với những ứng dụng to lớn như các dẫn
sóng giam hãm mạnh, hệ truyền qua tăng cường gồm các dãy khe đơn và màng
mỏng kim loại cấu trúc nano cũng như các thiết bị nano plasmonic khác. Việc điều
khiển các mode SPP trên bề mặt có cấu trúc đã có thể đạt được thông qua điều biến
cấu hình cấu trúc nano. Mối quan tâm đặc biệt là khả năng làm ảnh hưởng tích cực
đến các mode plasmon của cấu trúc này nhờ tín hiệu điều khiển bên ngoài như là
điện trường, từ trường hoặc ánh sáng. Trong số các cách tiếp cận này, việc điều
khiển SPP nhờ từ trường ngoài luôn đóng vai trò quan trọng do khả năng ứng dụng
trong lưu trữ dữ liệu từ và từ quang cũng như là cho sự phát triển các bộ cản quang
vi mô dựa trên hiệu ứng photonic. Lý thuyết về điều biến các thuộc tính SPP trên
màng mỏng kim loại nhờ đặt vào từ trường đang được phát triển và một số thực
nghiệm đã được thực hiện và phát hiện ra rằng hiệu ứng có thể đạt được trong các
chất bán dẫn pha tạp hỗ trợ kích thích plasmon trong vùng phổ THz. Tác động của từ
trường lên các mode SPP có thể tăng cường thông qua liên kết với môi trường từ
tính bên cạnh. Người ta đã chứng minh rằng các hiệu ứng từ quang trong môi trường
từ tính có thể tăng cường thông qua liên kết cộng hưởng với các mode plasmon
tương tự như liên kết cộng hưởng trong tinh thể từ photonic. Hiệu ứng điều khiển độ
truyền qua quang học của tinh thể Plasmon-từ bằng từ trường ngoài có thể thực hiện
trên các màng mỏng chế tạo như sau. Một lớp vàng rất mỏng (khoảng 50 nm) phủ

dày 3,5 m. Tiếp theo

lên tấm đơn tinh thể Iron-garnet (IG ) -

giai đoạn hình thành bằng phương pháp epitaxy pha lỏng đẳng nhiệt trên định hướng
GGG (gadolinium gallium garnet). Chất nền và màng IG là trong suốt trong vùng
hồng ngoại gần và nhìn thấy cỡ 2,3 eV, tương ứng bước sóng trong chân không là
540 nm. Các hốc ( có đường kính là 125 nm, chu kì là 400 nm ) được đục trên màng
vàng bằng cách sử dụng chùm ion hội tụ (hình 1.9 a).

13


Hình 1.5 Sơ đồ thực nghiệm và mẫu khảo sát spinplasmonic [39].
Sự biến đổi của thành phần ngoài đường chéo của tenxơ hằng số điện môi của
bản IG vào khoảng ∆ε~10-3. Khảo sát độ truyền qua bị điều khiển bởi từ trường, phổ
được đo là chùm ánh sáng trắng chiếu qua một tinh thể từ-plasmon được bao quanh
bởi một từ trường đều do một nam châm gây ra, từ trường có trục đồng nhất với trục
của màng IG và có độ lớn vào khoảng 80 mT (hình 1.9 d).
Những thay đổi về độ truyền qua rõ rệt nhất trong dải bước sóng 500700 nm nơi
mà hiệu ứng quang-từ trong màng IG là mạnh nhất. Từ trường áp dụng tác động đến
các tính chất quang học của các tinh thể SPP theo hai cách. Thứ nhất, độ lớn của sự
truyền cộng hưởng phân cực chéo bị thay đổi mạnh với từ trường biến thiên, sự thay
đổi này là phân tán, với một hiệu ứng mạnh ở tần số quang học cao. Thứ hai, phổ
truyền qua cũng bộc lộ những thay đổi trong cấu trúc khe dải SPP. Trong thí
nghiệm sự phụ thuộc bước sóng với độ truyền qua được khảo sát để tìm được ánh
sáng có tần số mà tại đó xảy ra hiện tượng hấp thụ.
Kết quả trên chứng tỏ sự áp dụng của trường ngoài gây ra những thay đổi trong
tất cả các phần tử ngoài đường chéo các yếu tố của tenxơ hằng số điện môi, do đó
14

ảnh hưởng của nó trên các phương pháp SPP Bloch khác nhau theo các hướng khác
nhau sẽ khác nhau.
Quan sát kết quả đo phổ truyền qua đối với mô hình phần cấu trúc hốc nano kích
thước hữu hạn của màng vàng, người ta thu được kết quả như hình 1.6. Hình 1.6a là
phổ truyền qua của tinh thể Plasmonic, hình 1.6b biểu diễn sự phụ thuộc của ánh
sáng truyền qua với từ trường tại bước sóng 545 nm và 660 nm. Hình 1.6c và d biểu
diễn ảnh hưởng của từ trường tới độ truyền qua của tinh thể plasmonic với hướng
tác động (1,0) và (0,1).

Hình 1.6 Phổ truyền qua của tinh thể Plasmonic [108].
Trường tới phân cực dọc theo một trong các trục chính của tinh thể (E||x) và sự
phân cực của ánh sáng truyền qua cấu trúc được phân tích trong quang phổ bậc
không như là một hàm số của hướng từ hóa của chất nền garnet. Hình 1.6 (a) và (b)
biểu diễn quang phổ được tính cho sự từ hóa được định hướng hoặc trong (M||Y)
hay ngoài (M||Z) của mặt phẳng của màng IG. Các quang phổ màu đỏ thu được cho
ánh sáng truyền qua có trạng thái phân cực là không thay đổi khi đi qua các tinh thể
từ-plasmon, trong khi các quang phổ màu xanh lam tương ứng với ánh sáng truyền
qua với sự phân cực của spin. Điều này cũng chứng minh rằng hiện tượng phân cực
spin do hiệu ứng từ-quang trong chất nền là tối thiểu trong hình dạng được tính
toán, nơi mà độ nhạy của tán sắc Blochmodes SPP với tenxơ hằng số điện môi chi
phối sự truyền của cấu trúc.

15