플라스몬

물리학에서 플라스몬은 플라즈마 진동의 양자이다.빛(광학적 진동)이 광자로 구성되어 있듯이 플라즈마 진동은 플라스몬으로 구성되어 있습니다.플라즈마는 포논이 기계적 진동의 양자화인 것처럼 플라즈마 진동의 양자화에서 발생하기 때문에 준입자로 간주될 수 있다.따라서 플라스몬은 자유 전자 가스 밀도의 집합적(불연속적인 수) 진동입니다.예를 들어, 광학 주파수에서 플라스몬은 광자와 결합하여 플라스몬 폴라리톤이라고 불리는 또 다른 준입자를 만들 수 있습니다.

파생

플라스몬은 1952년 데이비드 파인스와 데이비드봄에^[1] 의해 처음 제안되었으며, 장거리 전자-전자 ^[2]상관관계에 대한 해밀턴에서 발생하는 것으로 나타났다.

플라스몬은 고전적인 플라즈마 진동의 양자화이기 때문에 대부분의 특성은 맥스웰 방정식에서 ^[3]직접 도출할 수 있습니다.

설명.

플라스몬은 고전적인 그림에서 금속에 고정된 양이온에 대한 전자 밀도의 진동으로 설명할 수 있다.플라즈마 진동을 시각화하려면 외부 전기장에 오른쪽을 가리키는 금속 입방체를 상상해 보십시오.전자는 금속 내부의 필드를 취소할 때까지(오른쪽의 양이온을 발견) 왼쪽으로 이동합니다.전계가 제거되면 전자는 오른쪽으로 이동해 서로 반발하고 우측에 남겨진 양이온에 끌리게 된다.어떤 저항이나 감쇠로 에너지가 손실될 때까지 플라즈마 주파수로 앞뒤로 진동합니다.플라스몬은 이런 종류의 진동을 양자화한 것이다.

역할.

플라스몬은 금속과 반도체의 광학적 특성에 큰 역할을 한다.물질의 전자가 빛의 전장을 차단하기 때문에 플라즈마 주파수 이하의 빛의 주파수는 물질에 의해 반사됩니다.플라즈마 주파수 이상의 주파수의 빛은 물질에 의해 전달되는데, 그 이유는 물질 내의 전자가 이를 차단할 만큼 빠르게 반응할 수 없기 때문이다.대부분의 금속은 플라즈마 주파수가 자외선에 있기 때문에 눈에 보이는 범위에서 빛을 발합니다(반사).구리 및 ^[5]금과 같은^[4] 일부 금속은 가시적인 범위에서 전자 밴드 간 전이를 가지며, 이로 인해 특정 빛 에너지(색)가 흡수되어 고유한 색상을 생성합니다.반도체의 전자 플라즈몬 주파수는 보통 깊은 자외선에 있고, 전자 밴드 간 천이는 가시 범위 내에 있어 특정 빛 에너지(색상)가 흡수되어 독특한 색을^[6]^[7] 띠게 되므로 반사됩니다.반도체가 ^[8]^[9]도핑이 심한 나노입자 형태일 경우 중적외선 영역과 근적외선 영역에서 플라스몬 주파수가 발생할 수 있는 것으로 나타났다.

플라스몬 에너지는 종종 자유 전자 모델에서 다음과 같이 추정될 수 있습니다.

\displaystyle E_{\rm {p}}=}

{\displaystyle\hbar}

({displaystyle}{frac {ne^{2}}{m\silon _{0}}}}=}

{\displaystyle\hbar}

\mega _{\rm {p}

$n$ 서n {\ $displaystyle$ n}은 $n$ 전도 전자 $,$ e {\ $displaystyle$ e $}$ 는 $e$ $기본$ 전하,m {\ $displaystyle$ m $}$ 은 $m$ 전자 질량, $\hbar$ $\epsilon _{0}$ 0 {\ $displaystyle \epsilon$ _ ${0}$ 은 $\epsilon _{0}$ 자유 공간의 유전율, ${\$ {\ $displaystyle \hbar$ }은 $\hbar$ 플랑크 상수 감소 및 $\omega _{\rm {p}}$ p {\ $displaystyle\o$ 입니다.메가 _ ${\rm {p}}$ 플라스몬 $\omega _{\rm {p}}$ 빈도.

표면 플라스몬

표면 플라스몬은 표면에 국한된 플라스몬으로 빛과 강하게 상호작용하여 편광자를 ^[10]발생시킵니다.이들은 상대 유전율의 양의 실제 부분을 나타내는 물질(예: 진공, 공기, 유리 및 기타 유전체)과 주어진 빛의 주파수에서 실제 유전율이 음의 물질(일반적으로 금속 또는 도핑이 심한 반도체)의 계면에서 발생한다.유전율의 실제 부분의 반대 신호와 더불어, 음의 유전율 영역의 실제 부분의 크기는 일반적으로 양의 유전율 영역의 유전율 크기보다 커야 한다. 그렇지 않으면 빛이 표면에 결합되지 않는다(즉 표면 플라스몬이 존재하지 않음).하인즈 ^[11]래더의 유명한 책에 나와 있다.예를 들어 He-Ne 레이저에 의해 제공되는 632.8nm 파장의 가시광선 파장에서 표면 플라스몬을 지지하는 계면은 종종 공기나 이산화규소 등의 유전체와 접촉하는 은이나 금 등의 금속에 의해 형성된다.재료의 특정 선택은 손실로 인한 빛의 구속 정도와 전파 거리에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.표면 플라스몬은 입자 또는 직사각형 스트립, v-그루브, 실린더 및 기타 구조와 같은 평평한 표면 이외의 인터페이스에도 존재할 수 있습니다.많은 구조들이 빛의 회절 한계 이하로 빛을 가두는 표면 플라스몬의 능력 때문에 연구되어 왔다.조사된 간단한 구조 중 하나는 구리와 니켈로 이루어진 다층 시스템입니다.믈라데노비치 외는 다층의 사용을 하나의 플라스모닉 ^[12]물질처럼 보고한다.니켈 층을 추가하여 산화 구리를 방지할 수 있습니다.구리 도금은 니켈과 함께 금속 도금에서 가장 일반적으로 선택되기 때문에 구리를 플라즈모닉 재료로 사용하는 것은 플라즈모닉을 통합하는 쉬운 방법입니다.다층은 입사광의 회절 격자 역할을 합니다.구리 대 니켈 두께 비율에 따라 다층 시스템에서 정상 발생 시 최대 40%의 전송률을 달성할 수 있습니다.따라서 이미 인기 있는 금속을 다층구조에서 사용하는 것이 플라스모닉 집적용액으로 판명되었다.

표면 플라스몬은 표면 강화 라만 분광학 및 금속 격자로부터의 회절 이상(우드의 이상)을 설명하는 역할을 할 수 있다.표면 플라즈몬 공명은 생화학자에 의해 수용체에 결합하는 리간드의 메커니즘과 역학을 연구하기 위해 사용된다(즉, 효소에 결합하는 기질).다파라메트릭 표면 플라즈몬 공명은 분자 상호작용뿐만 아니라 나노층 특성이나 흡착된 분자, 폴리머층 또는 그래핀의 구조적 변화를 측정하기 위해 사용될 수 있다.

표면 플라스몬은 금속의 X선 방출 스펙트럼에서도 관찰될 수 있다.금속의 X선 방출 스펙트럼에서 표면 플라스몬의 분산 관계가 도출되었다(Harsh 및 Agarwal).^[13]

노트르담 드 파리의 고딕풍의 유리창.일부 색상은 금 나노 입자의 콜로이드로 만들어졌다.

최근에는 표면 플라스몬이 ^[14]재료의 색을 조절하기 위해 사용되고 있다.이것은 입자의 모양과 크기를 조절하는 것이 입자에 결합되고 그 사이에 전파될 수 있는 표면 플라스몬의 종류를 결정하기 때문에 가능합니다.이것은, 차례로, 빛과 표면과의 상호작용을 제어합니다.이러한 효과는 중세 성당들을 장식하는 역사적인 스테인드글라스에 의해 설명된다.일부 스테인드글라스 색상은 광학장과 상호작용하여 유리를 선명한 빨간색으로 만드는 고정 크기의 금속 나노 입자에 의해 생성된다.현대 과학에서, 이러한 효과는 가시광선과 극초단파 방사선에 모두 적용되어 왔다.이 파장에서는 패턴이 몇 센티미터 정도 되는 경향이 있기 때문에 물질 표면과 샘플이 기계적으로 생산될 수 있기 때문에 많은 연구가 먼저 마이크로파 범위에서 이루어진다.광학 범위 표면 플라즈몬 효과의 생산에는 400 nm 미만의 특징을 가진 표면을 만드는 것이 포함됩니다.이것은 훨씬 더 어렵고 최근에야 신뢰할 수 있고 이용 가능한 방법으로 할 수 있게 되었다.

최근 그래핀은 또한 근적외선 광학 현미경 기술과 적외선^[15]^[16] ^[17]분광법을 통해 관찰된 표면 플라스몬을 수용하는 것으로 나타났다.그래핀 플라스모닉의 잠재적 응용은 주로 테라헤르츠에서 중적외선 주파수(광변조기, 광검출기, 바이오센서 ^[18]등)에 대응했다.

사용 가능한 응용 프로그램

플라스몬 흡수 및 방출 피크의 위치와 강도는 분자 센서에 사용될 수 있는 분자 흡착의 영향을 받습니다.예를 들어, 금층의 ^[19]흡수 변화를 검출하는 것에 근거해, 우유의 카제인 검출 완전 동작 장치를 프로토타입으로 제작했습니다.금속 나노 입자의 국부 표면 플라스몬은 다른 종류의 분자, 단백질 등을 감지하는데 사용될 수 있다.

플라스몬은 훨씬 더 높은 주파수(100THz 범위까지)를 지원할 수 있기 때문에 플라스몬은 컴퓨터 칩의 정보 전송 수단으로 고려되고 있습니다. 반면 기존 와이어는 수십 GHz에서 매우 손실됩니다.그러나 플라즈몬 기반의 전자제품이 실용화되려면 트랜지스터와 유사한 플라즈몬 기반의 증폭기,^[20] 즉 플라즈몬스토어를 만들어야 합니다.

플라스몬은 파장이 매우 작기 때문에 고해상도 리소그래피 및 현미경 촬영의 수단으로 제안되어 왔습니다.이 두 가지 응용 프로그램 모두 실험실 환경에서 성공적으로 입증되었습니다.

마지막으로, 표면 플라스몬은 빛을 매우 작은 치수로 제한할 수 있는 고유한 용량을 가지고 있으며, 이는 많은 새로운 응용을 가능하게 할 수 있습니다.

표면 플라스몬은 그것이 번식하는 물질의 특성에 매우 민감합니다.이는 단백질 결합 이벤트를 선별하고 정량화하는 것과 같은 콜로이드 막의 단분자 층 두께를 측정하는 데 사용되도록 했다.비아코어 같은 회사는 이러한 원리로 작동하는 기기를 상용화했다.광학 표면 플라스몬은 로레알 ^[21]등에 의해 메이크업 개선을 목적으로 연구되고 있습니다.

2009년 국내 연구팀은 플라스몬을 ^[22]이용해 유기발광다이오드 효율을 크게 높일 수 있는 방법을 찾아냈다.

IMEC가 이끄는 유럽 연구진은 결정 실리콘(c-Si), 고성능 III-V, 유기물, 염료 감응형 등 다양한 형태의 태양 전지에 빛의 흡수를 강화할 수 있는 금속 나노 구조를 통합함으로써 태양 전지의 효율성과 비용을 개선하기 위한 작업을 시작했다.^[23] 그러나 플라스모닉 광전 소자가 최적으로 기능하기 위해서는 초박형 투명 전도성 산화물이 필요하다.^[24]플라스모닉을^[25] 이용한 풀컬러 홀로그램이 시연되었다.

플라스몬솔리톤

플라스몬 솔리톤은 예를 들어 플라스몬 모드와 단독 솔루션을 모두 고려한 금속 비선형 매체에 대해 비선형 진폭 방정식의 하이브리드 솔루션을 수학적으로 참조한다.한편, 표면 플라즈몬 모드와 공간 솔리톤을 조합한 준입자로서는 공명 ^[26]^[27]^[28]^[29]상호작용에 의한 솔리몬 공진을 생각할 수 있다.표면 플라스몬이 계면에 위치해야 하는 동안 플라스몬 도파관에서 1차원 단독 전파를 달성하려면 필드 외피의 측면 분포도 변하지 않아야 한다.

그래핀계 도파관은 유효면적이 넓고 비선형성이 ^[30]크기 때문에 하이브리드 플라즈몬 솔리톤을 지원하기에 적합한 플랫폼이다.예를 들어 그래핀 유전체 헤테로 구조에서의 단독파의 전파는 회절과 비선형성의 경쟁에 ^[31]^[32]기인하는 고차 솔리톤 또는 이산 솔리톤의 형태로 나타날 수 있다.

「」를 참조해 주세요.

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