برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۷ تا ۱۳۹۷/۰۶/۰۲

ضمائم مقاله
آمار مقاله
  • بازدید کل ۳۷,۰۸۰
  • بازدید این ماه ۳۵۱
  • بازدید امروز ۲
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۱۱
  • قبول شدگان ۱۵۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۸۹
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۸
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

علم پلاسمونیک

در این مقاله به بررسی مفاهیم علم پلاسمونیک پرداخته شده است. با جداسازی حوزه های این علم نوپا به دو حوزه پلاسمون های سطحی موضعی و پلاسمون پلاریتون های سطحی هر یک به طور اجمالی معرفی می شود. در پلاسمون های سطحی موضعی اساس برهم کنش ها نانو ذرات می باشد که به بررسی خواص آنها در تحریک این مد از امواج پلاسمونیک پرداخته شده است. در پلاسمون پلاریتون های سطحی با معرفی بنیاد کاری آنها فرمول بندی میدانی آن و چگونگی گذشتن از حد پراش توسط این ساختار ها بیان شده است.
1- مقدمه
با رویکرد تکنولوژی به سمت تجمع مدارات الکترونیک نوری، مشکلات ساخت و پدیده هایی که به جلوگیری از فشرده سازی بیشتر ساختار کمک می کرد، باعث شد تا استفاده از ساختارهای پلاسمونیک و امواج پلاسمونیک مورد بررسی و استفاده قرار بگیرد. این نانو ساختار ها متشکل از فلز و دی الکتریک می باشد که ابعاد آنها زیر طول موج تحریکی ( طول موج پرتویی که باعث تحریک امواج پلاسمونیک می شود) قرار دارد.
پلاسمونیک بر اساس فرآیند برهم کنش بین امواج الکترومغناطیسی و الکترون های رسانش در فلزات با ابعاد نانو بیان شده است.

سال ها قبل از میلاد از ویژگی های پلاسمونیک و نانو ذرات برای ایجاد رنگ های چشم نواز در شیشه ها استفاده می شد که نمونه ای از آن جامی است که در یکی از موزه های شهر لندن نگهداری می شود. نخستین تحقیقات بر روی پلاسمونیک به ابتدای قرن بیستم برمی گردد. ابتدا وود (R. Wood)، خواص عجیبی از اندازه گیری بازتاب نوری از شبکه های فلزی مشاهده کرد. حدود سال 1904، گرنت (M. Grant) رنگ های موجود در شیشه های رنگی را با استفاده از نظریه جدید درود (که خواص انتقال الکترون ها در مواد و مخصوصا در فلزات را بیان می کند) برای فلزات توضیح داد. 4 سال بعد مای (G. Mie)، نظریه خود را در مورد پراکندگی الکترومغناطیسی ذرات کروی ارائه داد. در حدود سال 1956، پینس (D. Pines) به صورت تحلیلی دلیل افت سریع انرژی الکترون ها در عبور از فلزات را بیان کرد و نتیجه گرفت این انرژی صرف حرکت تجمعی و نوسان گونه الکترون های آزاد فلز می شود و آن را پلاسمون نامید. دلیل این نام گذاری شباهت این نوسانات الکترون ها با نوسان های ذرات محیط پلاسما بود. در همان سال فانو (R. Fano)، عبارت پلاریتون را برای نوسان الکترون های مقید فلز در حالت جفت شدگی با فونون های پرتو فرودی به کار برد. نام پلاریتون برای شبه ذراتی که نیم ماده و نیم فوتون بودند، بکار گرفته شد که حالت تزویج شده بین یک فوتون پرتو تحریک کننده ابتدایی و الکترون های رسانش فلز است و اصطلاح پلاسمون پلاریتون (Plasmon Polariton) برای بیان علت تزویج شده بین یک فوتون و یک پلاسمون است.

2-علم پلاسمونیک
پلاسمونیک به دو جز تقسیم می شود که هرکدام از آنها کاربردی از فلزات و امواج الکترومغناطیسی در مشخصات نانومتری در ساختار های دو بعدی ، تک بعدی و حتی صفر بعدی است. این دو حوزه عبارتند از:
  1. پلاسمون های سطحی موضعی (Localized Surface Plasmon)
  2. پلاسمون پلاریتون های سطحی(Surface Plasmon Polariton)

1-2-پلاسمون های سطحی موضعی (Localized Surface Plasmon)
تشدید پلاسمون های سطحی، نوسان های هماهنگ و تجمعی الکترون های فلزی است که توسط پرتو تابشی تحریک شده است.
شرط نوسان به این صورت است که فرکانس فوتون های پرتو تابش شده با فرکانس طبیعی الکترون های سطحی (که برای غلبه بر نیروی هسته مرکزی است) یکسان شود. تشدید پلاسمون های سطحی در ساختار های با ابعاد نانومتری، تشدید پلاسمون های سطحی موضعی ( Localized Surface Plasmon Resonance ) نامیده می شود.
پلاسمون های سطحی موضعی، تحریک غیر انتشاری الکترون های باند هدایت نانو ساختار های فلزی است که میدان الکترومغناطیسی به آنها تزویج شده است. امواج پلاسمونیک با استفاده از مسئله پراکندگی از یک نانو ذره هادی که ابعاد آن زیرِ طول موج میدانِ الکترومغناطیسی پرتوتحریکی است، پدید می آید.
برهم کنش یک ذره با اندازه d با امواج الکترومغناطیسی با طول موج λ تحریکی، می تواند به روش های مختلف تحلیلی ، نیمه تحلیلی و عددی بررسی شود. البته در این تحلیل ها این فرض همواره در نظر گرفته می شود که d≪λ، یعنی ابعاد ذره خیلی کوچکتر از طول موج باشد. فاز نوسان هماهنگ میدان الکترومغناطیسی در حجم ذره ثابت فرض می شود.
در تحریک پلاسمون های سطحی موضعی و مشخصات آنها شرایط زیر اثرگذار است:
  1. خواص الکترونیکی نانو ذره
  2. ابعاد و شکل نانو ذره
  3. خواص دمایی نانو ذره
  4. دی الکتریک احاطه کننده نانو ذره
البته ذکر این نکته حائز اهمیت است که با دور شدن از سطح نانوذره فلزی شدت میدان الکترومغناطیسی ( به طور مشخص شدت میدان الکتریکی ) به صورت نمایی کاهش می یابد.
در این نانو حجم ایجاد شده میدان الکترومغناطیسی به صورت موضعی ، فشرده و بهبود یافته است. تغیرات اندک در دی الکتریکِ اطراف نانو حجم، بر روی تشدید پلاسمون های سطحی اثر می گذارد، به طوری که این تغییرات خود را در میزان پرتو پراکنده شده ، پرتو جذب شده و یا تغییر طول موج آن نشان می دهد. با استفاده از مشخصه های اپتیکی می توان این تغییرات را اندازه گیری کرد. شکل (1) نوسان الکترون های سطحی و میدان الکتریکی اطراف آنها را در تشدید پلاسمون های سطحی موضعی نشان می دهد.

filereader.php?p1=main_ea5edd3d02c5c4524
شکل1- نوسان الکترون های سطحی و الگوی میدان الکتریکی اطراف آنها

1-1-2- بررسی نانو ذره ها
نانو ذره ها مابین اتم ها و حالت توده ای جامد قرار می گیرد و خواص بسیار متفاوتی نسبت به حالت توده ای دارد. خواص نانو ذره ها با تغییر اندازه و شکل آنها تغییر می کند. دو نوع متفاوت از این اثر های مربوط به اندازه نانو ذرات می تواند وجود داشته باشد. اثرات ذاتی که مربوط به تغییرات نسبت حجم به سطح ماده است و اثرات غیرذاتی که نانو ذره در پاسخ به میدان ها و نیروهای خارجی از خود نشان می دهد. در واقع، اثرات غیر ذاتی وابسته به اندازه ذره هستند ولی مستقل از اثرات ذاتی (مستقل از تغییرات نسبت حجم به سطح ماده) می باشند. نانوذره ها دارای تعداد زیادی اتم های سطحی در مقایسه با اتم هایی که درون حجم آنها قرار دارند می باشد. این خود باعث افزایش اهمیت اثرات سطحی در مقایسه با اثرات حجمی است.
معمولا نانو ذره های با قطر بزرگتر از 10 نانومتر، دارای ثابت دی الکتریک برابر با مقدار حالت توده ای ماده می-باشد و وابسته به اندازه نیست. پس مشاهده می شود که وابستگی طیف نوری نانوذره های بزرگ به اندازه آنها، یک اثر خارجی است که تنها به وسیله ابعاد ذره نسبت به پرتو الکترومغناطیسی کنترل می شود.
برای نانو ذره های کوچک اثرات ذاتی اندازه نیز نقش پیدا می کند. یعنی تابع ثابت دی الکتریک آن ( filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820 ) علاوه بر طول موج، تابعی از اندازه ذره خواهد بود.
ایجاد این نانو ذره ها با ابعاد مختلف و اشکال مختلف روش های مبتکرانه آزمایشگاهی نیز دارد که خود بحث جدا گانه ای را می طلبد.

2-2- پلاسمون پلاریتون های سطحی ( Surface Plasmon Polariton )
پلاریتون پلاسمون های سطحی یا SPP تحریک های الکترومغناطیسی هستند که به الکترون های آزاد جمع شونده و نوسان کننده سطحی در فلزات تزویج می شوند تا بتوانند به طور طولی در سطح تقاطع فلز دی الکتریک انتشار یابند (شکل(2)). البته پرتو الکترومغناطیسی تابیده شده باید دارای شرایطی باشد: از جمله طوری تابانده شود که بازتاب داخلی کامل ایجاد شود و دارای قطبش طولی (P-Polarized) باشد.

filereader.php?p1=main_c2715ea21b5d9a1c2
شکل2- نمایی از ایجاد اجزای میدان الکترومغناطیسی پلاسمون های سطحی در سطح تماس فلز-دی الکتریک

علت حائز اهمیت بودن پلاسمون پلاریتون های سطحی توانایی آن ها در تمرکز دادن میدان الکترومغناطیسی است که حد پراکندگی آنها در موج های اپتیکی نانومتری کاهش می دهد و گسترش میدان های موضعی را تا چندین مرتبه بزرگی بهبود می دهد. و باعث می شود مد های انتشاری پلاسمون پلاریتون های سطحی (میدان الکتریکی عرضی (TE) و یا میدان مغناطیسی عرضی (TM) ) در صفحات عمود بر جهت انتشار محصور شوند.
با فرض اینکه محیطی که امواج الکترومغناطیسی در آن منتشر می شوند از نوع غیر مغناطیسی (1=μ ) و ایزوتروپیک و همگن باشد و با ثابت دی الکتریک (ϵ(ω   بیان شود، معادله موج میدان الکتریکی خواهد بود

  (1)                                                     filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

حل آن چنین می شود:


      (2)           filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636

با توجه به تعریف بردار موج رابطه پخش ( Dispersion Relation) خواهد بود:

(3)               filereader.php?p1=main_d3d9446802a442597

در ادامه فرض می شود در نمای سه بعدی، بردار موج در جهت y بدون تغییر باشد و جهت انتشار در صفحه x-z محصور شده باشد. با توجه به روابط برای محیط دی الکتریک بدون اتلاف ε=εd>0 و با توجه به اینکه جهت انتشار را در جهت z گرفته شده است، از رابطه 4
              (4)                                                                           filereader.php?p1=main_6512bd43d9caa6e02


filereader.php?p1=main_2dd42491b5185f70c
شکل 3- تشکیل امواج ناپایدار (a). سطح تماس هوا دی الکتریک تابانده شدن پرتو از دی الکتریک (b). سطح تماس هوا-فلز تابانده شدن پرتو از هوا به سطح تماس

برای بررسی انتشار این امواج از دو ساختار فلز دی الکتریک-فلز و دی الکتریک-فلز دی الکتریک استفاده می-شود. در این دو نوع ساختار لایه میانی بسته به طول موج پرتو تحریک کننده پلاسمون ها، چند ده نانومتر ضخامت دارد.

1-2-2- بررسی حد پراش ( Diffraction limit)
زمانی که یک پرتو نوری می تواند از جمع آثار امواج صفحه ای ایجاد شود با در نظر گرفتن یک موج صفحه ای با فرکانس زاویه ای ω و در محیط یکنواخت دی الکتریک با ضریب شکست n=√εμ می توان رابطه پخش را با فرض اینکه μ=1 به صورت زیر نوشت:
filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
                     (5)                                     filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636

این معادله در تشابه با سطح فرمی (سطح فرمی سطح فرضی انرژی پتانسیل یک الکترون در داخل یک جامد بلورین است)، سطح عدد موج (Surface Wave Number )نامیده می شود که یک کره سه بعدی در فضای K را تبیین می کند. زمانی که kj حقیقی باشد مقادیر بین k≤kj≤k را می پذیرد. این یعنی محدوده فرکانس k∆ ، برابر 2k است (k=2nk0∆ ). بر اساس رابطه عدم قطعیت هایزنبرگ تبدیل فوریه k∆ و r∆ داریم:
filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
(6)                                          filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636

این رابطه کمترین مقدار اندازه شعاعی پرتویی که از جمع آثار امواج اپتیکی سه بعدی ایجاد می شود را بیان می کند که از مرتبه λ0 است
                              (7)                                                 filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

که این همان رابطه حد پراش است.
در کریستال ها فوتونی یا موجبر های با ضریب شکست بالا، امواج نوری سه بعدی است در نتیجه عرض پرتو اپتیکی در این ساختار ها با مرتبهλ0 محدود می شود.
برای پایین آوردن حد پراش به سراغ امواج نوری با دیمانسیون پایین (مثل امواج دو بعدی تک بعدی یا صفر بعدی) می رویم. نمونه ای از این امواج میدانی ناپایدار ایجاد شده در سطح دی الکتریک با بازتاب داخلی کامل است یا امواج سطحی انتشار یافته در امتداد سطح مشترک دی الکتریک و فلز است که به همان پلاسمون های سطحی که بیان شد، تعبیر می شوند.

3- نتیجه گیری و آینده علم پلاسمونیک
در سال های اخیر کاربرد های بسیار متنوعی برای پلاسمون های سطحی بکار رفت که البته پیشرفت این علم به تکنیک هایی چون لیتوگرافی های نوری و ذخیره اپتیکی داده ها وابسته است. میل روز افزون به این شاخه از علم را می توان بیشتر به شکستن و پایین آوردن حد پراش نور و کوچکتر کردن آن از مرتبه طول موج نسبت داد.
کاربرد امواج پلاسمون پلاریتون سطحی و پلاسمون سطحی موضعی و روند استفاده از آنها روز به روز شتاب بیشتری می گیرد. در زمینه ساخت نیز ساخت ادواتی غیر فعال (passive) (یعنی ادواتی که در آنها توانی تولید نمی شود) مانند موجبر، کوپلر، فیلتر و ... و ادوات فعال (active) (یعنی ادواتی که در آنها توان تولید می شود) مانند تقویت کننده، تشدید کننده، سوئیچ، مدولاتور و ... در حال انجام و حتی بهینه سازی است.

از این علم می توان در مدار های الکترونیکی و اپتیکی به طور جداگانه استفاده کرد به نحوی که با انتشار هم زمان امواج در هر یک از این زمینه ها و انتشار امواج پلاسمونیکی، اختلالی در انتقال داده هریک از امواج وارد نشود. این خود باعث می شود که ظرفیت ارسال اطلاعات در مدارات مجتمع بالا رود. از طرفی با پایین آوردن حد پراش، مدارهای مجتمع ساخته شده در حوزه پلاسمونیک خیلی فشرده تر از مدار های مجتمع نوری خواهد بود و سرعت انتقال و سوئیچ در این مدارات افزایش می یابد.

از سوی دیگر با توجه به اثر گذار بودن تغییرات اندک ثابت دی الکتریک اطراف نانو ذره یا سطح فلزی در ساختار های پلاسمونیکی، از این قابلیت می توان برای ساخت حسگرهای زیستی در تشخیص توده های سرطانی در بافت های معیوب و تغییرات در محیط¬های حامل باکتری استفاده کرد. با استفاده از لایه های دی الکتریک قابل کشت باکتری ها یا بافت های زنده می توان فعالیت آنها را بررسی کرد. تحقیقات حسگرهای زیستی مربوط به نانوذرات و پلاسمونیک، روش هایی را برای تحلیل زیستی ( Bio Analytical) معرفی می کند که بر پایه مفاهیم پلاسمونیک در لایه های نازک فلزی و نانوتکنولوزی مولکولی استوار است که البته به عنوان یک تحقیقات بین رشته ای ( مهندسی- فیزیک پزشکی) در محافل علمی مطرح می شود. با توجه به پایه های کلی بحث پلاسمونیک چنین بر می آید که به دلیل وجود مفاهیمی از فیزیک اپتیک و میدان و امواج در غالب این رشته ها و گرایش های مربوطه به عنوان بحث داغ آنها شناخته می شود.

البته در تحقیقات اخیر(2012-2010) پلاسمونیک، نانو ذرات را به سمت ذرات دو جنسی پیش برده اند که شامل هسته ای از یک فلز و غشای اطراف آن از جنس فلز دیگر می باشد.



منابـــع و مراجــــع

1.[1] W.L. Barnes, A. Dereux, T.W. Ebbesen, Nature 424, 824 ,2003

2.[2] H. Raether, “SurfacePlasmons”, Springer, 1988.

3.[3] S. I. Bozhevolnyi, “Plasmonic Nanoguides and Circuits”, Pan Stanford Publishing Pte. Ltd., 2009.

4.[4] Reviews in Plasmonics 2010; Editor :Chris D. Geddes, Ph.D., CSci, CPhys, CChem, MIoP, MRSC

نظرات و سوالات

نظرات

3 0

فرزانه فریادرس - ‏۱۳۹۴/۰۴/۲۳

سلام

جواب یکی از سوالات اشتباه عنوان شده سوال مورد نظر

برای اینکه SPPها بتوانند به طور طولی در سطح تقاطع فلز-دی الکتریک انتشار یابند باید چه شرایطی برقرار باشد؟

جواب

دارای پلاریزاسیون طولی موج تحریکی / ایجاد شدن بازتاب داخلی کامل

حتی در توضیح به گزینه ی درست اشاره میشود :(

پاسخ مسئول سایت :
با سلام و احترام و تشکر از توجه شما
اصلاح مورد نظر انجام شد
50 امتیاز مشارکت به شما تعلق گرفت
موفق باشید
8 -3

فروزان فریادرس - ‏۱۳۹۴/۰۴/۲۳

سلام

خیلی ضعیف بود صرفا فقط ترجمه شده بود...

:(

5 -9

محمود اوصانلو - ‏۱۳۹۲/۰۷/۱۲

عالی بود

دستتان درد نکنه