Felületi plazmonok optikai vizsgálata

1. Felületi plazmonok optikai vizsgálata Előadók:Balla Péter Kocsis Vilmos Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Fizika Tanszék Optikai spektroszkópia szeminárium, 2012 április 19.

2. Tartalom • Bevezetés • Megoldás a Maxwell egyenletekkel • Plazmonok tulajdonságai • Alkalmazások Egy Dresdeni templom rózsaablaka, Wiki J. R. Sambles, ContemporaryPhysics32, 3, 173-183 (1991) A. Otto, ZeitschriftfürPhysik216, 398-410 (1968) W. L. Barnes, Nature424, 824 (2003)

3. Impulzus: R: x-irányban megmarad, z-ben előjelet vált Új közegben: Amikor: Ismétlés TH p-polarizált Időben, térben oszcilláló, propagáló töltéseloszlás z-irányban lecsengő tér J. R. Sambles, ContemporaryPhysics32, 3, 173-183 (1991) W. L. Barnes, Nature424, 824 (2003)

4. Részletes leírás dielektrikum:1 fém:2 TH p-polarizált 1→2: változik 1→2: változatlan Maxwell+határfeltételek+”alak”: Továbbá elhaló hullámok: ellentétes előjelűek (diel. áll. miatt) újabb feltétel: J. R. Sambles, ContemporaryPhysics32, 3, 173-183 (1991)

5. dielektrikum:1 fém:2 propagál végtelen úthosszal újabb feltétel: TH p-polarizált Van disszipáció a fémben: J. R. Sambles, ContemporaryPhysics32, 3, 173-183 (1991)

6. 1 2 x irányban harmonikus megoldás, |z|-ben elhaló: Vákuum-szabad elektron gáz határfelület Diszperziót implicit egyenlet adja meg (z=0 határfeltétel, Hy): • z-irányban nincs kibocsájtott sugárzás (non-radiative SPW) • felületi töltések fázissebessége: Szabad EG: nincs csatolás A. Otto, ZeitschriftfürPhysik216, 398-410 (1968)

7. nincs gerjesztés SPW-kmax fázissebessége, ezt csak a (közvetlenül) felette levő dielektrikum határozza meg Kell egy köztes határréteg (spacer), melyre: Gerjesztés feltétele: spacerlayeres eset gyakorlatban a törésmutatók adottak, és α-t változtatják αc és 90° között spacerlayer nélkül gerjeszthető SPW-k 1 1 2 2 A. Otto, ZeitschriftfürPhysik216, 398-410 (1968)

8. Konkrét mérési elrendezés (p-polarizált): • p-p mérés • hullámhossz nő => α csökken • d nő rezonanciák keskenyednek • ELM: csillapítások:= sugárzás + belső • van egy dmax, aminél az absz. maximális: fény energiája rezonancia helye A. Otto, ZeitschriftfürPhysik216, 398-410 (1968)

9. Egyéb tulajdonságok: Anyagfüggő (zafír prizma, n=0.766) λ=632 nm Optikai Gap Kretschmann-Raether módszer 1.00 µm Permittivitás mérhető plazmonokkal 0.75 µm λ=632 nm 0.5 µm J. R. Sambles, ContemporaryPhysics32, 3, 173-183 (1991)

10. Egyéb tulajdonságok: • mérés feldurvított felületen: lesz olyan Fourier komponense a felületnek, amely becsatolja a kívülről jövő sugárzást (különböző beesési szögek fordulnak elő) ↔ nehezen reprodukálható • mérés szinuszos rácson: nincs transzláció invariancia → csak a kváziimpulzus marad meg: • kis amplitúdó: a SPW-k impulzusa nem tér el a sík esethez képest: • átlós irányban hozunk létre SPW-ket • →az elektromos térerősség nem korlátozódik a beesés síkjára: s ↔ p ! p s J. R. Sambles, ContemporaryPhysics32, 3, 173-183 (1991)

11. Egyéb tulajdonságok: • mérés feldurvított felületen: lesz olyan Fourier komponense a felületnek, amely becsatolja a kívülről jövő sugárzást (különböző beesési szögek fordulnak elő) ↔ nehezen reprodukálható • mérés szinuszos rácson: nincs transzláció invariancia → csak a kváziimpulzus marad meg: • kis amplitúdó: a SPW-k impulzusa nem tér el a sík esethez képest: • átlós irányban hozunk létre SPW-ket Rpp Rpp p-pol. s-pol. Rss Rss J. R. Sambles, ContemporaryPhysics32, 3, 173-183 (1991)

12. Egyéb tulajdonságok: • mérés feldurvított felületen: lesz olyan Fourier komponense a felületnek, amely becsatolja a kívülről jövő sugárzást (különböző beesési szögek fordulnak elő) ↔ nehezen reprodukálható • mérés szinuszos rácson: nincs transzláció invariancia → csak a kváziimpulzus marad meg: • kis amplitúdó: a SPW-k impulzusa nem tér el a sík esethez képest: • átlós irányban hozunk létre SPW-ket • →az elektromos térerősség nem korlátozódik a beesés síkjára: s ↔ p ! Rps J. R. Sambles, ContemporaryPhysics32, 3, 173-183 (1991)

13. Alkalmazások • dielektromos állandó mérése (főleg kis változások) • kémiai szennyeződés • rétegvastagság (pl. Ag rétegen növesztett szulfid) • szerves rétegek növesztése során in-situ vizsgálat • antigén protein filmek vizsgálata (csak bizonyos antitesteket kötnek meg) • folyadékkristályok elrendeződése • mikroszkópia: fém hordozóra növesztett diel. kis vastagságváltozásai → nagy reflektivitás változás • magneto-optikai effektus erősítése • elektro-optikai átalakítók, detektorok • nm skálájú! optikai jelet fókuszálja Optikai jel Elektromos jel J. R. Sambles, ContemporaryPhysics32, 3, 173-183 (1991) W. L. Barnes, Nature424, 824 (2003)

14. Felületi plazmonok által erősített magneto-optika: Vastag Co (~6nm): easy-axis (z) Vékony Co (~1nm): easy-plane (xy) C. Hermann et al., PRB, 64 235422

15. Felületi plazmonok által erősített magneto-optika: C. Hermann et al., PRB, 64 235422

16. Elektro-optikai átalakító Szabad úthossz: 40 nm 2.5 µm W. L. Barnes, Nature424, 824 (2003)

17. Gap a felületi plazmonok sávszerkezetében: Bragg-reflektor • Általánosan: optikai vezetőkben többrétegű visszaverő közeg, hullámhossz szelektív fényvisszaverés. • stopband: λo, Δλ széles sáv • VCSEL (LD) W. L. Barnes, Nature424, 824 (2003)

18. Lyuk „mátrixok” W. L. Barnes, Nature424, 824 (2003)