Czym jest plazmonika?

Plazmonika, dziedzina zajmująca się plazmonami, jest niezwykle szybko rozwijającą się gałęzią nauki. Wyniki badań mają zastosowanie w tak odległych dziedzinach, jak detekcja pojedynczych molekuł, powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana SERS, fluorescencja, fosforescencja, kontrola zanieczyszczeń, medycyna, nowe materiały, litografia, chipy komputerowe, wydajne baterie słoneczne itd. Nanocząstki metali, w przeciwieństwie do metali o dużej objętości, wykazują silną absorpcję w zakresie widzialnym i ultrafiolecie dzięki możliwości wzbudzenia na nich zlokalizowanych plazmonów powierzchniowych (localized surface plasmons, LSP). Ta właściwość nanocząstek metali szlachetnych wykorzystywana była przez tysiąclecia do produkcji witraży i ceramicznych naczyń. Jednym z najbardziej znanych przykładów praktycznego wykorzystania rezonansu plazmonowego jest rzymski Puchar Likurga z IV w n.e. Nanocząstki złota zatopione w szkle pucharu wykazują silną absorpcję w zielonej części widma, natomiast transmitują fale o mniejszej częstości. Wskutek tego puchar oglądany w świetle transmitowanym jest czerwony, natomiast w świetle odbitym jest zielony.

Prace teoretyczne w dziedzinie plazmonów polarytonów sięgają początków XX wieku, kiedy to w 1902 roku R. W. Wood zaobserwował anomalie w widmie odbitym od metalowej siatki dyfrakcyjnej. Kilka lat później lord Rayleigh zaproponował model uzasadniający częstotliwości dla których obserwowano anomalie. W 1941r. U. Fano wyjaśnił kształt widma w pobliżu anomalii poprzez uzupełnienie modelu Rayleigha o wzbudzenia plazmonów polarytonów powierzchniowych (surface plasmon polariton, SPP). Dopiero postęp technologiczny i wynalezienie mikroskopu pola bliskiego oraz opracowanie metod numerycznych pozwolił na gwałtowny rozwój dziedziny dzięki możliwości praktycznego wykorzystania plazmonów. Jednym z pierwszych eksperymentów, przeprowadzonym przez T. Ebbesena w 1998 roku, kładącym podwaliny pod współczesną plazmonikę, była obserwacja niezwykle silnej transmisji światła przy udziale plazmonów powierzchniowych przez otwory w metalu o średnicy około jednej dziesiątej długości fali. Okazało się, że dzięki sprzężeniu światła z plazmonami, możliwa jest nadzwyczaj silna transmisja światła (extraordinary optical transmission, EOT) przez szczeliny o wiele mniejsze od długości fali w grubej optycznie metalowej folii. Doświadczenie to otworzyło drogę do wielu potencjalnych zastosowań plazmoniki w mikro- i nanotechnologii. Zdolność plazmonów do ściśnięcia światła w obszarze mniejszym od długości fali, czyli fakt, że nie są ograniczone limitem dyfrakcyjnym, co powoduje jednocześnie niezwykle silne wzmocnienie pola na granicy metalu z dielektrykiem, otwiera szerokie możliwości w wizualizacji nanoobiektów z rozdzielczością lepszą niż określa to kryterium rozdzielczości Rayleigha. Pozwala to na obrazowanie powierzchni za pomocą światła z nieosiągalną wcześniej rozdzielczością, a także na manipulację nanocząstkami za pomocą pola elektromagnetycznego. Adsorpcja i silne oświetlenie nawet delikatnych cząstek biologicznych możliwe jest także w przypadku nanownęk rezonansowych, w których silne wzmocnienie pola EM na wejściu wnęki uzyskiwane jest dzięki plazmonowemu rezonansowi Fabry-Perota na ściankach wnęki o otwartym lub zamkniętym końcu. Taka konfiguracja pozwala na zmniejszenie długości fali nawet o rząd wielkości, co pozwala na wizualizację obiektów znacznie mniejszych niż obserwowane za pomocą konwencjonalnych przyrządów. Innym sposobem na uzyskanie silnego pola EM w dobrze określonym punkcie jest generacja SPP przy padaniu normalnym za pomocą odpowiednio wyprofilowanego łańcucha nanocząstek złota. Taka konfiguracja powoduje, że SPP propagujące się z różnych fragmentów łańcucha skupiają się w jednym punkcie, prowadząc do lokalnego, niezwykle silnego wzmocnienia pola. Dzięki manipulacji rozmiarami cząstek i kształtem całego łańcucha można uzyskać pole EM skupione w obszarze submikrometrowym. Redukcja długości fali dzięki zastosowaniu SPP pozwala także na ich wykorzystanie w procesie litograficznym jako źródło światła o wysokiej częstości do tworzenia struktur o rozmiarach nanometrowych. Jest to istotne np. w procesie tworzenia nanostruktur w półprzewodnikach, których właściwości detekcyjne są znacząco obniżane przez wiązki jonów używane w wysokorozdzielczym procesie trawienia zogniskowaną wiązką jonów (FIB). Ponieważ SPP, jako fale powierzchniowe, są niezwykle czułe na zmiany warunków propagacji, wykorzystywane są do zwiększenia czułości w wielu technologiach spektroskopowych jak np. fluorescencja, fotoluminescencja, SERS czy generacja drugiej harmonicznej (SHG). Dzięki przesunięciom pików rezonansowych wskutek zmiany współczynników załamania poprzez adsorpcję (bio-)molekuł na powierzchni, możliwa jest detekcja nawet pojedynczych cząstek. Biologiczne i chemiczne czujniki spektroskopowe są wykorzystywane do monitorowania zanieczyszczeń środowiska, a także w przemyśle podczas kontroli procesów produkcyjnych. Na podobnej zasadzie możliwy jest także pomiar grubości pojedynczych warstw koloidów, co pozwala na analizę kinematyki łączenia protein. Plazmony przyczyniają się także do zwiększenia wydajności organicznych diod OLED oraz baterii słonecznych wykorzystujących organiczne i nieorganiczne związki. Zlokalizowany rezonans plazmonowy dielektrycznych nanokulek otoczonych złotą powłoką wykorzystywany jest w medycynie do lokalizowania i niszczenia komórek rakowych. Jako szybko namnażająca się tkanka, komórki rakowe są mocno ukrwione wykazując jednocześnie anomalne defekty w sieci naczyń, co pozwala na akumulację w naczyniach krwionośnych guza nanocząstek z odpowiednimi ligandami zaadsorbowanymi na ich powierzchni. Dzięki naświetleniu promieniowaniem o rezonansowej częstości, wzbudzone zlokalizowane plazmony doprowadzają do lokalnego przegrzania i zniszczenia tkanki. Plazmony mogą w niedalekiej przyszłości stworzyć pomost pomiędzy fotoniką i elektroniką, dzięki ich wykorzystaniu jako nośnik informacji w optycznych chipach komputerowych. SPP mogą przenosić informację z częstościami rzędu 100 THz, podczas gdy konwencjonalne kable wykazują znaczące straty już przy częstościach rzędu kilkudziesięciu GHz. Takie chipy miałyby o wiele mniejsze wymiary niż obecne co pozwalałoby na gęstsze upakowanie elementów plazmonowych bez groźby przegrzania układu. Zlokalizowane plazmony są wykorzystywane także do zmiany koloru materiałów. Dzięki kontroli kształtu i rozmiarów nanocząstek zatopionych w materiale, można w konsekwencji kontrolować oddziaływanie światła z ośrodkiem i uzyskać szerokie spektrum kolorów. Podobna zasada wykorzystywana jest w projektowaniu filtrów kolorów, w których częściowo przekrywające się koncentryczne struktury skupiające plazmony różnią się okresem periodyczności. Kontrola kształtu i periodyczności powierzchni struktury metalowej pozwala na kontrolę długości fali plazmonu, który się po niej propaguje, co powoduje, że światło o różnych częstościach jest skupiane w różnych punktach struktury. Dodatkowo, w przypadku struktur liniowych, możliwe jest manipulowanie polaryzacją fali padającej w stosunku do osi liniowego otworu, co pozwala na selektywną transmisję promieniowania.

Na podstawie: IPPT Teports on Fundamental Technological Research, autor: Agata Roszkiewicz, "Generacja plazmonów polarytonów powierzchniowych na strukturach periodycznych"

Home

Nowe technologie