Slide bài tập lớn môn công nghệ nano các phân cực plasmon trên bề mặt kim loại điện môi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG

NHĨM 8:

CƠNG NGHỆ
NANO

CÁC PHÂN CỰC
PLASMON TRÊN BỀ MẶT
KIM LOẠI - ĐIỆN MÔI
GVHD: T.S NguyễnViệt Hƣng

CuuDuongThanCong.com

/>

1. Nguyễn Bá Vũ - 20154397

2. Hà Mạnh Lam - 20152097

THÀNH VIÊN

3. Hoàng Văn Sơn - 20153189
4. Phạm Trƣờng Giang - 20151107
5. Trần Bá Bằng - 20150277

CuuDuongThanCong.com

/>

I. LÝ THUYẾT DRUDE - LORENTZ VỀ KHÍ ELECTRON TRONG
KIM LOẠI

II. CÁC TÍNH CHẤT QUANG HỌC CƠ BẢN CỦA KIM LOẠI

NỘI DUNG

III. PHÂN CỰC PLASMON TRÊN BỀ MẶT KIM LOẠI – ĐIỆN
MÔI

IV. ỨNG DỤNG CỦA PHÂN CỰC PLASMON BỀ MẶT TRONG
TRUYỀN DẪN THƠNG TIN BẰNG CÁC LINH KIỆN KÍCH
THƢỚC NANO MÉT

V. THỰC HIỆN MÔ PHỎNG

CuuDuongThanCong.com

/>

I. LÝ THUYẾT DRUDE LORENTZ VỀ KHÍ ELECTRON
TRONG KIM LOẠI

CuuDuongThanCong.com

/>

Mơ hình Drude về khí electron

•

CuuDuongThanCong.com

/>

Mơ hình Drude về khí electron

•

CuuDuongThanCong.com

/>

Mơ hình Drude về khí electron

•

CuuDuongThanCong.com

/>

Mơ hình Drude về khí electron

•

Với phần lớn các kim loại, tần số plasma nằm trong miền tử ngoại,
do đó kim loại phản xạ gần nhƣ hoàn toàn ánh sáng miền nhìn thấy.

CuuDuongThanCong.com

/>

Lý thuyết Lorentz

•

CuuDuongThanCong.com

/>

II. CÁC TÍNH CHẤT
QUANG HỌC CƠ BẢN
CỦA KIM LOẠI

CuuDuongThanCong.com

/>

Sự tán xạ và hấp thụ trên các hạt nano kim loại

• Hấp thụ và tán xạ mạnh ánh sáng ở tần số cộng hƣởng plasmon =>
các hạt nano kim loại thể hiện nhiều màu sắc rực rỡ

• Phụ thuộc vào kích thƣớc hạt: Các hạt lớn tán xạ mạnh ánh sáng trong
khi màu sắc của các hạt nhỏ chủ yếu là do hấp thụ

• Các tính chất quang của các hạt nano kim loại (đặc biệt của các kim
loại hiếm nhƣ Au, Ag và Cu) có sự khác nhau rất lớn đối với khối hay

màng mỏng của chúng

CuuDuongThanCong.com

/>

Sự tán xạ và hấp thụ trên các hạt nano kim loại

•

Ngồi ra các tính chất quang của các nano kim loại cịn phụ thuộc vào
chất liệu, kích thƣớc, cấu hình và hàm điện mơi của vật liệu chủ xung

quanh
CuuDuongThanCong.com

/>

Các hạt kim loại nhỏ

•
Đối với các hạt hình elip với 3 trục chính a,b,c:

CuuDuongThanCong.com

/>

Các hạt kim loại lớn

•

Đóng góp của tán xạ vào quá trình tắt dần (tổng của hấp thụ và

tán xạ) tăng

•

Đối với các hạt lớn, tính chất phổ bị sửa đổi do các hiệu ứng
trễ và sự kích thích của mode bậc cao (tứ cực và các bậc cao
hơn)

•

Tín hiệu phổ có thể đƣợc tính tốn bởi bậc hệ số cao hơn
trong lí thuyết tán xạ Mie
CuuDuongThanCong.com

/>

III. PHÂN CỰC PLASMON
TRÊN BỀ MẶT
KIM LOẠI – ĐIỆN MÔI
CuuDuongThanCong.com

/>

Plasmon khối và plasmon bề mặt
 Plasmon khối (Bulk Plasmon):

Plasmon khối là dao động tập thể của các điện tử dẫn trong khối kim loại
Phƣơng pháp kích thích Plasmon khối:

- Dùng các trùm electron năng lƣợng cao đi xuyên qua/phản xạ trên khối kim loại

- Tại các vị trí xác định trên phổ năng lƣợng, ta thấy các đỉnh cƣờng độ tăng mạnh
=> tại đó ứng với các tần số của dao động plasma đƣợc kích thích trong kim loại
- Năng lƣợng chùm electron bị suy giảm, do truyền sang cho hệ các “Plasmon”

CuuDuongThanCong.com

/>

Plasmon khối và plasmon bề mặt

 Plasmon bề mặt (Surface Plasmon):
Là dao động tập thể của các điện tử ở bề mặt màng kim loại

mỏng dƣới sự kích thích của ánh sáng

CuuDuongThanCong.com

/>

Phân cực plasmon bề mặt (SPP)

•

Phân cực plasmon bề mặt (Surface Plasmon Polariton – SPP):

- Là sự kết hợp của các SP với photon ánh sáng tới, có thể lan

truyền dọc theo bề mặt kim loại cho đến khi hết năng lƣợng

•

Phƣơng pháp kích thích SPP trên bề mặt Kim loại – điện mơi:
sử dụng sóng ánh sáng

CuuDuongThanCong.com

/>

Phân cực plasmon bề mặt (SPP)

•

Đặt một cách tử ở giao diện hoặc
để ánh sáng kích thích qua một mơi
trƣờng có chiết suất cao
(ví dụ: lăng kính)

•

Ánh sáng kích thích đến từ một mặt của mơi trƣờng điện mơi (cấu
hình Otto - a), hoặc từ mặt kim loại (cấu hình Kretschmann - b)

•

Plasmon bề mặt lan truyền dọc một giao diện điện môi-kim loại sẽ bị
tán xạ và phản xạ bởi các chỗ lõm, hố, mép, hay các chỗ bị trũng
CuuDuongThanCong.com

/>

Hệ thức tán sắc của SPP
Biểu thức của các trƣờng tại các miền z<0 (điện mơi) và
z>0 (kim loại):

•

=>
CuuDuongThanCong.com

/>

Hệ thức tán sắc của SPP
Điều kiện biên:
=>

•
=>

Hệ thức tán sắc
SPP:
Hệ thức giữa vector sóng và tần số:

CuuDuongThanCong.com

/>

Hệ thức tán sắc của SPP

•

CuuDuongThanCong.com

/>

Hệ thức tán sắc của SPP
Do các đƣờng tán sắc của khơng khí (đỏ) và của phân cực plasmon bề mặt
(xanh) khơng cắt nhau nên khơng kích thích đƣợc plasmon!

Để kích thích trạng thái này, ngƣời ta phải sử dụng mơi trƣờng điện mơi (lăng
kính) (tím) để tăng giá trị vectơ sóng
k lên (vì có hằng số điện mơi lớn hơn 1).
Ví trí cắt nhau ứng với tần số
plasmon đƣợc kích thích.

CuuDuongThanCong.com

/>

IV. ỨNG DỤNG CỦA PHÂN CỰC PLASMON BỀ
MẶT TRONG TRUYỀN DẪN THƠNG TIN BẰNG

LINH KIỆN KÍCH THƢỚC NANOMET

CuuDuongThanCong.com

/>

Cộng hƣởng plasmon bề mặt (SPR)

• SPR là q trình phát hiện bằng quang học xảy ra khi ánh sáng

phân cực đi vào lăng kính đƣợc phủ lớp kim loại (vàng) mỏng

• Đƣợc sử dụng để quan sát nanometer thay đổi trong độ dày,
mật độ biến động, hoặc phân tử hấp phụ

• Sử dụng trong hoạt động xử lý dữ liệu cao các thiết bị nano

CuuDuongThanCong.com

/>