Hiện tượng plasmonic của các hạt nano sắt từ co trong các màng mỏng co ag và co al2o3

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
1.6 Tương tá

ni

in

ni .................................................................. 17

gn n-plasmon ....................................................................................... 21

1.7 Sơ ược về tình hình nghiên cứu về spin-plasmonic ở tr ng nước............................. 27
1.8 Kết luận hương 1 ...................................................................................................... 28
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ........................................................................................... 29
2.1 Chế tạo màng mỏng có cấu trúc dạng hạt nano bằng hương há
2.1.1 Nguyên tắc chung củ

hương há

hún xạ cao tần 29

hún 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 hương há bốc bay nổ trong
chân không ....................................................................................................................... 33
2.2.1 Nguyên lý của bốc bay nổ .................................................................................... 34
2.2.2 Ưu điể , nhượ điể
2.3 Cá

ủ

hương há bố b

nổ ........................................... 35

hương há khảo sát màng mỏng ..................................................................... 36

2.3.1 Phương há nghiên ứu cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X ....................................... 36
2.3.2 Kính hiển i điện tử quét (SEM).......................................................................... 37
2.3.3 Kính hiển i 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. Thiết ậ hệ đ qu ng-từ để khả
2. .1 Sơ đ khối ủ

át hiện tượng

monic...................................... 38

á hệ đ qu ng-từ ...................................................................... 38

2. .2 Th ng ố k thuật ủ

á thiết b ử ụng tr ng á hệ đ qu ng-từ.................. 40

2. .3 Thiết ậ hệ đ qu ng-từ với ngu n ánh áng

er đỏ ........................................ 45

2.4.4 Thiết lập hệ đ qu ng-từ với á ánh áng đơn ắc khác nhau ............................ 46
2.5 Kết luận hương 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 đặ trưng ấu 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 đ XRD ..................................................... 56
3.1.5 Tính chất từ của hệ màng mỏng Co-Al2O3 .......................................................... 59
3.2 Một số đặ trưng ấu 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 hương 3 ...................................................................................................... 72

CHƯƠNG : HIỆN TƯỢNG PLASMONIC TỪ Ở HỆ Co-Ag ......................................... 73
.1 iểu hiện

ni 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


.1.2 Sự hụ thuộ
.1.3 Hiện tượng

ủ

hổ tru ền qu

tỉ ệ C

ni từ t nh trên hệ

4.2 Biểu hiện plasmonic từ t nh th ng qu

ẫu

từ trường ngoài ...................... 75
ng

ỏng C -Ag........................... 78

hổ hản xạ ủ ánh áng nh n thấ ở hệ

màng mỏng dạng hạt Co - Ag .......................................................................................... 79
.2.1 Phổ hản xạ hụ thuộ

tỉ ệ hạt ắt từ C tr ng

.2.2 nh hưởng ủ từ trường ên hổ hản xạ ủ
4.2.3 Về biểu hiện ủ hiện tượng

ẫu .................................... 80

ng

ni từ t nh trên hệ

ỏng C -Ag .................... 82
ẫu C -Ag ................... 85

4.3 Kết luận hương ...................................................................................................... 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 tru ền qu

hụ thuộ từ trường

5.1.2 Sự truyền qua phụ thuộ
5.2 Cơ hế tương tá
5.2.1 M h nh h
5.2.2 Cơ hế ghi

tỉ lệ C

ủ ánh áng

er đỏ. ................ 91

hướng của từ trường ngoài .................................... 95

gn n-plasmon ở màng mỏng dạng hạt Co-Al2O3 ..................... 98
ơ hế tương tá

h t n-magnon ................................................... 98

gn n tr ng tương tá

gn n-plasmon ................................... 103

5.3 Kết luận hương 5 .................................................................................................... 106
KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................................ 107
TÀI LIỆU THAM KH O .................................................................................................... A
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG Ố 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 d hướng
Lắng đọng h hơi hó học
Nhiễu xạ điện tử
Phổ tán sắ năng ượng
Bốc bay nổ
Vật liệu sắt từ
Từ điện trở khổng l
Tinh thể đ nh hướng GGG
Tinh thể Iron Garnet
Plasmon bề mặt đ nh xứ
Phương há e it x hù
phân tử
Huỳnh qu ng tăng ường
nhờ kim loại
Màng mỏng từ dạng hạt
Vật liệu phi từ
Lắng đọng h hơi ật lý
Tần số Radio
Tương tá RKKY
Kính hiển i điện tử quét
Tán xạ R

n tăng ường
bề mặt
Kính hiển vi quang học
quét trường gần
Điện tử spinplasmonic
Phổ tổn h năng ượng
điện tử
Plasmon polariton bề mặt
Cộng hưởng plasma bề mặt
Kính hiển i 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
H nh .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
H nh .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
H nh .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
H nh . Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co khi B=0. ........................................................... 80
H nh .5 Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co khi B=0. ........................................................... 81
H nh .6 Phổ phản xạ theo tỉ lệ Co ứng với bước sóng 660 nm khi B = 0. ............. 81
H nh .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
H nh . 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
H nh . 1.6Mô phỏng cơ chế tương tác magnon-plasmon. .................................... 85

ix


H nh 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
H nh 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
H nh 5.3 (a) Cơ chế plasmonic, (b) và cơ chế spinlasmonics [7]. ......................... 103
H nh 5. Mô phỏng cơ chế tương tác magnon-plasmon. ......................................... 99
H nh 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
H nh 5.6 Sự phụ thuộc của hệ số truyền qua vào hướng của từ trường ngoài. ....... 96
H nh 5.7

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
H nh 5. (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

u

ng ngu ên người t đã biết đến một hiện tượng rất lý

thú là ánh sáng ứng với tần số xá đ nh có thể truyền qua hay b chặn lại bởi chiếc
cốc Lycurgus [30] được làm từ thủy tinh có pha các hạt kim loại Au k h thước vài
chục nanomét [65]. Tu nhiên, đến tận thế kỉ 20 hiện tượng này mới đượ đề cập
đến một cách khoa học. Vào những nă
có thể thực hiện việ đ nh xứ (nhốt h

uối thế kỉ 20, nhiều nghiên cứu cho thấy
gi

hã

óng điện từ ở tại bề mặt của

kim loại bằng hiện tượng phân cực plasmon bề mặt. Từ những nă
các kỹ thuật chế tạo nano phát triển, vấn đề dẫn truyền h

2000 trở đi, khi

đ nh xứ óng 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

động plasmon bề mặt đã h nh th nh nên

ột nhánh

công nghệ mới ó tên “plasmonics” 2001 .
Trên thế giới, đã ó nghiên ứu tổng qu n ề ật iệu
nghiên ứu ề á t nh hất ủ

ật iệu

điều kiện xả r hiện tượng
th

đổi khi h u tá

ni như ự h n ự

ni trên bề

ụng ủ

ặt ki

Ở iệt N
ng bố n
hất ủ

in

ới á

, tại thời điể

iêu nh nh [25],

ại [96], t nh hất qu ng

in

ni đã

ặt trời [72][51][124] nhằ

ật iệu bán ẫn th ng thường.

tá giả bắt đầu thự hiện đề t i ủ

nghiên ứu ề hiện tượng
ại ật iệu n .

ó nhiều

ự điện từ [56]. Đặ biệt, hiện tượng

đượ nghiên ứu the hướng ứng ụng để hế tạ
tăng hiệu uất ủ

ni [74]

nh, hư thấ

ni , ật iệu

ni

ni

ột hiện tượng

đó, hiện tượng

ó

á t nh
n 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 tá giả thực hiện tại Viện Đ
về Khoa học Vật liệu (ITIMS)-ĐH K H Nội nhằ

tạo Quốc tế

ơ ở để phát triển nghiên

cứu và ứng dụng một nh ực mới về plasmonics ở tr ng 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

ó iên qu n đến tương tá

spin-plasmon trong dải óng điện từ ó bước sóng lớn hơn k h thước hạt: Sử
dụng ánh sáng nhìn thấy (~300800 nm), trong khi các hạt sắt từ n n được
qu n t

thường ó k h thước phổ biến trong khoảng ưới 100 nm.

 Tạ r được hệ thống mẫu màng mỏng từ dạng hạt nano với tỷ phần sắt từ khác
nhau và thiết lậ được hệ đ
chất h

hương há đ th h hợ để khảo sát các tính

đặ trưng đá ứng quang phụ thuộc vào từ trường ngoài.

 Tìm hiểu về tương tá

gn n-

n, ũng

hản ánh bản chất củ 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 mụ tiêu trên đ , 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 d thể sắt từ-phi từ tiêu biểu và thích hợ để nghiên ứu hiện
tượng

ni . Nhóm nghiên cứu spintronics của Viện ITIMS đã ó kinh

nghiệm nhiều nă

ề chế tạo và nghiên cứu các tính chất vật lý của những hệ

như ậ .

ẽ là một thuận lợi lớn đối với luận án.

đó đ

 Việc tìm hiểu những đặ trưng ề cấu trúc và tính chất từ của các hệ màng mỏng
từ dạng hạt ũng đã được thực hiện ở luận án này, mặ

ùđ

những hệ đã

được nhóm nghiên cứu khảo sát khá nhiều và chi tiết ở những nghiên cứu trước

đ

đối với những hệ tương tự như ử dụng á

AFM, VSM). Tuy nhiên ở đ
hé đo quang-từ (chủ yếu

hé đ XR , E , SEM, TEM,

húng t i tập trung nhiều hơn
á

hé đ

ự truyền qua và phản xạ có và không

có tác dụng của từ trường ng i để khảo sát và tìm hiểu á
hiện tượng iên qu n đến hiện tượng

ử dụng các
ơ hế đối với các

ni 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 ậ được hệ đ qu ng tr ng từ trường quang-từ và không có
từ trường, và tìm hiểu á

hé đ

hối hợp khác nữ , đã được triển khai. Trên

ơ ở thiết ậ được hệ đ qu ng-từ tốt,
2

đặc biệt là loại trừ được yếu tố của


các hiệu ứng quang-từ thường gặ , 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 ngh kh

học củ đề tài nghiên cứu ở luận án này, là vấn đề tìm hiểu về tính

phụ thuộc spin của hiện tượng

ni , trước hết thể hiện ở chỗ, đ

ần

đầu tiên ở tr ng nước tiếp cận đến nghiên cứu một nh ực còn khá mới mẻ
không chỉ ở tr ng nướ ,

ũng hỉ mới xuất hiện gần đ

trên thế giới, nhưng

n hư được quan tâm nhiều. Vì vậy nhiều tri thức khoa học và công nghệ mới
sẽ có khả năng đượ t

t i, được khám phá. Ví dụ như á hiện tượng xuất phát

từ tương tá giữa photon với mạng spin củ
nên hiện tượng hiện tượng

á điện tử trong hạt nano từ đã tạo

ni , h

magnon, một trạng thái k h th h

tương tá giữa các photon với

động tuế sai của mạng

in ưới tác dụng

của từ trường ngoài hay không có từ trường ng i, tr ng đó th nh hần B của
óng 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 nghiệ
tìm hiểu về ơ hế

để

quá tr nh tương tá 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
qu ng đó b điều biến khá thường bởi các yếu tố từ tính của hệ, như n ng độ
hạt C , ường độ
tính chất đó

hướng từ trường tác dụng lên các hạt nano Co, và những

n hụ thuộ

năng ượng photon kích thích plasmon, là những

đóng gó 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
ứng dụng rất độ đá

hữu

ni hứa hẹn mở ra những

h tr ng đời sống hiện đại, điển hình là các ứng

dụng trong công nghệ chuyển mạ h qu ng ượng tử, th ng tin qu ng ượng tử,
tàng hình.
5. Những điểm mới của luận án
3


Trong quá trình thực hiện luận án, húng t i 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 tr ng nước và công bố quốc tế, g

h i điểm nổi bật như

u:

 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 tr ng h n kh ng đã được thực
hiện từ lâu. Tuy nhiên, ch đến n

hư thấy có công bố nào, cả ở trong và

ng i nướ , đề cậ đến việc áp dụng kỹ thuật này để chế tạo các cấu trúc dạng
hạt nano, tương tự như đã á

ụng trong luận án này. Vì vậ đ

ần đầu tiên,

ũng thể hiện tính mới của luận án, ở tr ng nướ đã ử dụng kỹ thuật này cho
hệ màng mỏng cấu trúc dạng hạt nano.
 Thiết lậ được hệ đ quang-từ nhằm khảo sát sự phụ thuộc của hệ số truyền qua
và hệ số phản xạ củ ánh áng

er đỏ

ánh áng đơn ắc (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, bướ

óng ủ ánh áng

từ trường ng i

ả hướng

độ ớn . Tìm hiểu ơ bộ ở tr ng nước trong thời gian gần đ , húng t i hư
phát hiện thấ

ó đơn

nghiên cứu n

truyền qua và phản xạ củ ánh
cả về ường độ

đã từng thiết lập một hệ thực nghiệm

ng tr ng điều kiện có từ trường th

hướng tác dụng lên mẫu, như hệ thực nghiệ

đổi được

đã được chúng

tôi thiết lập.

Về mặt khoa học, những điểm mới về học thuật được thể hiện qua những điểm
h nh

uđ :

 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 qu n át được xu hướng biến đổi khá bất thường ở các tính chất
phản xạ/truyền qua củ ánh áng đối với đá

á hạt nano sắt từ Co có kích

thước nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng kích thích, có n ng độ khác
nhau, và được phân tán ở tr ng á

i trường nền khác nhau: dẫn điện tốt (Ag)

á h điện tốt (Al2O3), không có và có từ trường với ường độ
dụng lên các hạt nano Co th

hướng tác

đổi, và cả khi các bước sóng của ánh sáng kích

thích khác nhau.
4


 Tác giả, cùng với thầ hướng dẫn, đã đề xuất được mô hình mô tả về ơ hế
tương tá

h t n- magnon, phản ánh tương tá

h t n-spin, nhằm giải thích cho

á h nh i đá ứng qu ng đã ghi nhận được trong luận án (đã được công bố
quốc tế). Cụ thể, ở đó đã

tả cho thấy rõ quá tr nh tương tá giữa các thành

phần véc-tơ từ trường B

điện trường E của sóng ánh sáng (photon) với các

in điện tử S và từ độ M của các hạt nano Co ó k h thước D nhỏ hơn nhiều so
với bước sóng λ củ ánh áng k h th h như thế n
tác dụng của từ trường ngoài H, khi ường độ
b th

ưới tác dụng và không có

hướng của từ trường tác dụng

đổi.

6. Cấu trúc của luận án
Luận án g m 103 trang, ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được chia làm 05
hương ới các nội ung h nh như

u:

Chương 1: Tổng quan về hiện tượng plasmonic
Chương n

tr nh b

á

spinplasmons và ơ hế tương tá

khái niệ

ơ bản về plasmon, plasmonic,

gn n-plasmon.

Chương 2: Thực nghiệm
Ở đ , húng t i nêu r

á

hương há thực nghiệ

đã ử dụng trong luận án

để chế tạo mẫu màng mỏng dạng hạt như: hún xạ Catốt, bốc bay nổ trong chân
kh ng; á

hương há khảo sát tính chất màng mỏng dạng hạt như: SEM, EDS,

AFM, TEM, VSM, XRD. Đặc biệt, tr ng hương n

húng t i tr nh b

ề việc

thiết ậ thành công hệ đ qu ng-từ nhằm khảo sát các hiện tượng plasmonic trên
các màng mỏng dạng hạt nano tại PTN Qu ng ượng tử-Khoa Vật lý-Trường
ĐHKHTN-ĐHQG H 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 hương há bốc bay nổ
và phún xạ ũng được tiến hành chụp SEM, TEM, ED và khảo sát tính chất từ trên
máy VSM nhằ

qu n át 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 ng i

bước sóng của ánh sáng chiếu tới, tỉ ệ

C tr ng

ng

độ

ớn ủ từ trường ng i. Đặ biêt, húng t i đã hát hiện thấy biểu hiện của hiện
tượng plasmonics trong các cấu trúc nano kim loại d thể dạng hạt Co-Ag. Đ ng
thời, húng t i đã hế tạo thành công màng mỏng dạng hạt nano bằng hương há
bốc bay nổ, đ
tr ng nướ

hương há

hư từng được sử dụng để chế tạo loại màng này ở

ũng 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, bướ

óng ủ ánh áng k h th h và từ trường ng i

độ ớn . Hơn nữ , húng t i đã ận dụng được ơ hế tương tá
để giải thích các kết quả thu được.
Phần cuối của luận án trình bày các kết luận và kiến ngh .

6

ả hướng

gn n-plasmon


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG PLASMONIC
ni

Trong nhiều thập kỷ qua p

đã hát triển mạnh mẽ, đặc biệt ở tr ng nh

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 tá 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
n n

h đến các dạng hạt/chùm hạt n n đã thu hút được sự quan tâm to lớn vì

chúng cho thấy nhiều đặ t nh

ni đặc biệt. Trong số các vật liệu nano, các

kim loại quý đã nhận được sự qu n t

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

ng được kích thích tập thể. Các tính chất quang họ , như tru ền

qua, phản xạ hay hấp thụ, của vật liệu càng trở nên bất thường hơn khi tương tá

ới

ánh áng k h th h ó bước sóng lớn hơn nhiều so với k h thước của vật liệu.
Plasmon bề mặt là những

động tập thể củ

á điện tử tự do được hình thành

trên bề mặt tiếp xúc giữa kim loại và điện môi do sự

động tập thể củ

á điện

tử dẫn [132], chúng lan truyền dọc theo bề mặt lớp tiế xú , được gọi là sóng
plasmon bề mặt. Plasmon bề mặt đ nh xứ cao tại bề mặt của các hạt nano kim loại
được gọi là plasmon bề mặt đ nh xứ [68][136]. Cá trường điện từ tạo ra sự cộng
hưởng plasmon bề mặt đ nh xứ trên bề mặt của hạt nano kim loại, gây ra sự hấp thụ,
tán xạ ánh sáng mạnh,
xứ năng ượng điện từ) hoặ

tăng ường á trường điện từ đ nh xứ (thực hiện đ nh
th

đổi sự phân bố trường điện từ ở mứ độ nhỏ

hơn bước sóng ánh sáng [73]. Vì plasmonics là sự tổ hợp củ

điện tử học

(electronics) và quang tử học nano (nano-photonics), vì vậy các hiện tượng plasmon
bề mặt đ nh xứ được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều nh ực quan trọng, như tán
xạ R

n tăng ường bề mặt (SERS) [80][27], huỳnh qu ng tăng ường nhờ kim

loại (MEF) [127], hấp thụ h ng ngoại tăng ường bề mặt và tán xạ R
ường. Sóng plasmon bề mặt có ứng dụng lý thú do có khả năng
trường điện từ đáng kể, như k nh hiển i trường gần và cảm biến y sinh.

7

eigh tăng
tăng ường


Trong số các kim loại, bạ

ng

được xem là các ứng viên tốt nhất để làm

tăng ường các vùng hấp thụ plasmon bề mặt của chúng trong vùng ánh áng nhìn
thấy. V tr

ường độ củ đỉnh cộng hưởng plasmon bề mặt của các hạt nano kim

loại có thể được kiểm soát bằng k h thước, hình dáng, thành phần của hạt nano,
i trường điện môi, tinh thể. Bên cạnh các nghiên cứu về các nano kim loại quý,
h đến nay, các cấu trúc nano ủ

á ki

ại ắt từ như C , e, C

e... vẫn đ ng

tiếp tục đượ nghiên ứu trong khoa học nano [89][79][101]. Điều khiến cho các hạt
nano sắt từ hết sức được quan tâm về hương iện 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. Tr ng nh ự điện tử học spin, người t thường sử dụng hiệu ứng bơ
spin, ngh

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

in 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 đượ bơ
từ sang chất thuận từ. Các nghiên cứu gần đ
ứng bơ

in. Một

độ, tr ng đó á

bơ

ề

spin kết hợ , ngh

intr ni

bơ

từ chất sắt

đã h thấy có hai loại hiệu

do tuế sai pha kết hợp của từ

ộng hưởng sắt từ hoặc song spin có thể được kích thích bằng bức
bơ

xạ vi sóng [115][34][137]. Loại thứ hai

in kh ng kết hợp, ngh

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

gn n k h th h

động của mạng spin trong chất sắt từ FM) và (hoặc) các

điện tử trong chất thuận từ PM b 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
việ bơ

in kh ng kết hợp là spin Seebeck effect [13], ở đó các hàm phân bố

magnon/e e tr n đượ 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-

n

u đó

đượ điều biến bằng từ trường bên ngoài, cả về ường độ

hương, ũng ẽ dẫn

đến quá trình kích thích magnon mạnh và diễn r

in kh ng kết hợp.

ơ hế bơ

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 đ

[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 sắ hơn nữa.
1.1 Khái niệm về plasmon
động
chất kh

động của mật độ hạt giống như

động âm học ở trong

ó điện nhưng bản chất của chúng hoàn toàn khác nhau. Thực vậ đối với

động âm học thì va chạm giữa các hạt kh đóng
ó thăng giáng

i tr

ập lại cân bằng mỗi khi

ật độ, còn ở plasma thì lự tương tá giữa các hạt đóng

Những k h th h ơ bản tập thể tương ứng với

i tr n .

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 t n tại của Plasmon bằng á h đ
suy giả

năng ượng khi h

á

hù

hổ đặ trưng ủa

điện tử ó năng ượng 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, húng h h i

ũi nhọn sát nhau ở trên phổ đặ trưng ủa suy giả

năng

ượng như h nh 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 đ nh sự k h th h điện từ làm cho
9

những electr n n

động tập thể, tạo nên một hệ

động được gọi là plasmon

trong không gian của cấu trúc kim loại đó. Như ậy plasmon là những

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
điện môi ở kích thước nano nên có thể xem plasmonic là

tiếp xúc d thể kim loại

quang học ở k h thước nano.
1.2 Phân loại plasmon
Tù the

á điều kiện biên (phụ thuộ

k h thước, hình dáng và hằng số

điện môi của cả kim loại và chất bao), á

động có thể được phân loại thành

3 mode: plasmon khối, plasmon bề mặt và plasmon bề mặt đ nh xứ được mô phỏng

như h nh 1.2.

Hình 1.2 Phân loại plasmon [86].


a

on khối vo

tr ng khối ki

ại

pa

on :

năng ượng ủ

á

động tậ thể ủ e e tr n ẫn

á ượng tử kh ảng 10 e .

 Plasmon bề mặt (surface plasmons): Plasmon bề mặt là những

động tập

thể củ điện tử dọc theo mặt tiếp xúc giữa kim loại-điện môi. Đơn giản hơn, t

có thể đ nh ngh Plasmon bề mặt là sự kích thích các electron bề mặt của kim
loại bằng ngu n sáng tới.
10




Plasmon bề mặt định xứ (Local Surface Plasmon, LSP): Plasmon bề mặt
đ nh xứ là các

động plasmon b giam cầm trong cả 3 chiều không gian,

ví dụ tr ng trường hợp các hạt nano kim loại,
Kim loại có nhiều điện tử tự

e

động như h nh 1.3.

, á điện tử tự do này sẽ

động ưới tác

dụng củ điện từ trường bên ng i như ánh áng. Th ng thường các dao
động b dập tắt nhanh chóng bởi các sai hỏng mạng hay bởi chính các nút
mạng tinh thể trong kim loại. Nhưng khi k h thước của kim loại nhỏ hơn
quãng đường tự do trung bình thì hiện tượng dập tắt không còn nữ
tử sẽ

điện

động cảm ứng với ánh sáng kích thích. Do vậy, tính chất quang của

hạt n n

ó được do sự

động tập thể củ

tương tá

ới bức xạ óng điện từ.

á điện tử dẫn đến quá trình

Hình 1.3 Plasmon bề mặt định xứ [26].
Cá điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano làm cho hạt nano b phân cự điện tạo
thành một ưỡng cự điện, từ đó xuất hiện một tần số cộng hưởng phụ thuộc vào
nhiều yếu tố nhưng á

ếu tố về h nh áng, độ lớn của hạt n n

i trường

xung quanh là các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất. Khi tần số của ánh sáng kích thích
bằng với tần số riêng củ

động mật độ điện tử sẽ xảy ra hiện tượng cộng hưởng

plasmon bề mặt đ nh 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

tăng ường trường điện từ cục bộ. Tần số

trong dải hấp thụ plasmon bề mặt đặ trưng h
11

ường độ

ại vật liệu, và rất nhạy với kích


thước, phân bố k h thước và dạng của cấu trú n n
b

qu nh. Đ

ũng như

ới

i trường

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 đ

á hạt nano và cấu trúc nano kim loại đã được sử dụng hiệu quả như

các thành phần trong một thiết b quang họ k h thước nano (nanoscale optical
devices) làm dẫn óng, đóng ngắt quang, siêu thấu kính, thiết b ưu trữ thông tin và
các bộ tán xạ ánh sáng cộng hưởng trong kính hiển vi quang họ quét trường gần
(SNOM). Thuộc tính quang phi tuyến của vật liệu ũng đượ tăng ường đối với
các cấu trúc nano kim loại. Ở k h thước nano, tính chất quang học của các hạt nano
kim loại trở nên hết sức thú v .

Hình 1.4 Chiếc cốc Lycurgus [43].
Hạt nano

ng, đ ng trộn trong các sản phẩm gốm sứ làm cho các sản phẩ

có các màu sắ khá nh u đã đượ người La Mã sử dụng từ h ng ng n nă

đó

trước

trong chiếc cốc Lycurgus hình 1.4, các hiện tượng này bắt ngu n từ sự cộng hưởng
Plasmon bề mặt. Màu sắc của chiếc cốc bắt ngu n từ các hạt nano kim loại trong
thủy tinh. Tại những v trí ánh sáng truyền qua thủ tinh, ánh áng ó

u đỏ. Tại

những v trí ánh sáng b 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), đ ng rất hấp dẫn do tiề
trong rất nhiều ứng dụng nhằ

đạt đượ

năng ủa chúng

điều khiển sự truyền sáng trong các cấu
12


trú k h thước nhỏ hơn bước sóng [39]. Với những ứng dụng to lớn như á

ẫn

sóng giam hãm mạnh, hệ truyền qu tăng ường g

ng

mỏng kim loại cấu trúc n n

á

ã khe đơn

ũng như á thiết b nano plasmonic khác. Việ điều

khiển các mode SPP trên bề mặt có cấu trú đã ó thể đạt đượ th ng qu điều biến
cấu hình cấu trúc nano. Mối qu n t

đặc biệt là khả năng

ảnh hưởng tích cực

đến các mode plasmon của cấu trúc này nhờ tín hiệu điều khiển bên ng i như
điện trường, từ trường hoặc ánh sáng. Trong số các cách tiếp cận này, việ điều
khiển SPP nhờ từ trường ng i u n đóng

i tr qu n trọng do khả năng ứng dụng

tr ng ưu trữ dữ liệu từ và từ qu ng ũng như

h

ự 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 đ ng được phát triển và một số thực
nghiệ

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. Tá động của từ
trường lên các mode SPP có thể tăng ường thông qua liên kết với
tính bên cạnh. Người t đã hứng minh rằng các hiệu ứng từ qu ng tr ng

i trường từ
i trường

từ tính có thể tăng ường thông qua liên kết cộng hưởng với các mode plasmon
tương tự như iên 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 tạ như

lên tấ

u. Một lớp vàng rất mỏng (khoảng 50 nm) phủ

đơn tinh thể Iron-garnet (IG ) - Lu2.4 Bi0.6 Fe4.8Ga0.2O12 dày 3,5 m. Tiếp theo

gi i đ ạn hình thành bằng hương há e itaxy pha lỏng đẳng nhiệt trên đ nh hướng
GGG (gadolinium gallium garnet). Chất nền và màng IG là trong suốt trong vùng
h ng ngoại gần và nhìn thấy cỡ 2,3 e , tương ứng bước sóng trong chân không là
540 nm. Các hố

ó đường kính là 125 nm, chu kì là 400 n

vàng bằng cách sử dụng chùm ion hội tụ (hình 1.9 a).

13

đượ đục trên màng


Hình 1.5 Sơ đồ thực nghiệm và mẫu khảo sát spinplasmonic [39].
Sự biến đổi của thành phần ng i đường chéo củ tenxơ hằng số điện môi của
bản IG vào khoảng ∆ε~10-3. Khả
đượ đ

át độ truyền qua b điều khiển bởi từ trường, phổ

hùm ánh sáng trắng chiếu qua một tinh thể từ-

n được bao quanh

bởi một từ trường đều do một nam châm gây ra, từ trường có trụ đ ng nhất với trục
củ

ng IG
Những th

ó độ lớn vào khoảng 80 mT (hình 1.9 d).
đổi về độ truyền qua rõ rệt nhất trong dải bước sóng 500700 n

nơi

mà hiệu ứng quang-từ trong màng IG là mạnh nhất. Từ trường áp dụng tá 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 b th

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 qu

ũng bộc lộ những th

đổi trong cấu trúc khe dải SPP. Trong thí

nghiệm sự phụ thuộ bước sóng với độ truyền qu được khả

át để t

được ánh

Kết quả trên chứng tỏ sự áp dụng của trường ngoài gây ra những th

đổi trong

sáng có tần số mà tại đó xảy ra hiện tượng hấp thụ.
tất cả các phần tử ng i đường chéo các yếu tố của tenxơ hằng số điện môi,
14

đó


ảnh hưởng của nó trên á

hương há SPP

h khá nh u the

á hướng khác

nhau sẽ khác nhau.
Quan sát kết quả đ

hổ truyền qu đối với mô hình phần cấu trúc hốc nano kích

thước hữu hạn của màng vàng, người t thu được kết quả như h nh 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
tá 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 đ nh hướng hoặc trong (M||Y)
hay ngoài (M||Z) của mặt phẳng của màng IG. Các quang phổ
ánh sáng truyền qua có trạng thái phân cự

kh ng th

u đỏ thu được cho

đổi khi đi qu các tinh thể

từ-plasmon, trong khi các quang phổ

u x nh

tương ứng với ánh sáng truyền

qua với sự phân cực của spin. Điều n

ũng hứng 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

độ nhạy của tán sắc Blochmodes SPP với tenxơ hằng số điện môi chi

phối sự truyền của cấu trúc.

15