بخش دوم: تاریخچه علم پلاسمونیک

سال ها پیش از آنکه محققان، تحقیقات خود را بر روی خواص نوری فلزات آغاز نمایند، از ویژگی های پلاسمونیک و نانو ذرات برای ایجاد رنگ های چشم نواز در مصنوعات شیشه ای و آثار هنری استفاده می شده است. برای تولید این رنگ های زیبا، نانوذرات نقره و طلا با اندازه ها و شکل های مختلف را بر روی شیشه رنگرزی می کردند.

.

شکل  ‏۱‑۳: شیشه کاری های رنگی که در سال ها قبل از پیدایش علم پلاسمونیک با استفاده از نانوذرات انجام می شده و با این خاصیت شیشه هایی با رنگ های چشم نواز تولید می کرده اند.

.

به عنوان مثال جام مشهور لیکورگوس[۰] که متعلق به قرن چهارم پس از میلاد می باشد، از جمله ی این آثار ابتدایی بوده است. هنگامی که جام از فضای بیرونی در معرض نور قرار می گیرد، به رنگ سبز دیده می شود (شکل ۳٫۱)، و هنگامی که درون جام نوری روشن شود، به رنگ قرمز می درخشد. دلیل این پدیده این است که شیشه این جام محتوي ذراتی از طلا و نقره در ابعاد ۷۰ نانومتر است. میدان الکترومغناطیسی نوسان کننده نور فرودی، موجب می شود تا الکترون های آزاد فلز به نوسان در آیند. فرکانسی که در آن، الکترون ها بر روی سطح نانوذرات فلزی نوسان می کنند موجب می شود تا نور عمدتا پراکنده شود. بنابراین، به میزان قابل توجهی انتقال (عبور) کاهش یافته و بازتاب افزایش می یابد، که این موجب می شود تا خواص نوری عجیبی توسط جام لیکورگوس به نمایش گذاشته شود. به عبارتی می توان گفت که رنگ جام را فركانس تشديد پلاسمونهاي سطحي محلی نانوذره هاي فلزي به كار رفته درون شيشه آن تعيين مي كنند.

.

شکل  ‏۱‑۴: جام لیکر گوس که در ساخت آن از نانوذرات فلزی استفاده شده است.

.

نخستین تحقیقات انجام شده بر روی پلاسمونیک به ابتدای قرن بیستم باز می گردد. در ابتدا پروفسور روبرت وود[۱] خواص عجیبی و غیر قابل توجیهی را از اندازه گیری بازتاب نوری از شبکه های فلزی مشاهده کرد. در طیف بازتاب این آزمایشها، باندهاي باریکی مشاهده شد که او آنها را ناهنجاري نامید. حدود سال ۱۹۰۴، گرنت[۲] 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. ۴ سال بعد یعنی حدود سال ۱۹۰۸، مای[۳]، نظریه خود را در مورد پراکندگی الکترومغناطیسی ذرات کروی ارائه داد. او دریافت که رنگ نانوذرات فلزی مرتبط با اندازه و خواص نوری فلز و مواد اطراف می باشد.

در حدود پنجاه سال بعد، یعنی سال ۱۹۵۶، دیوید پینس[۴] 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 نامگذاری شباهت این نوسانات نوسانات الکترون ها با نوسان های ذرات محیط پلاسما بود.  پینس در مقاله ی خود پلاسمون را بدین گونه توصیف نموده بود:

“نوسانت جمعی الکترون های باند هدایت بسیار مشابه با نوسانات پلاسمای الکترونیکی مشاهده شده در تخلیه های گازی می باشند.  ما عبارت’پلاسمون‘ را برای توصیف کوانتای تحریک اولیه مرتبط با حرکت جمعی فرکانس بالا معرفی می کنیم. “

در همان سال رابرت فانو[۵] 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 اولیه و الکترون های رسانش فلز است. از این رو اصطلاح پلاسمون پلاریتون برای بیان علت تزویج شده بین یک فوتون و یک پلاسمون است.

در سال ۱۹۵۷ مقاله ای توسط روفوس ریچی[۶] درباره تلفات انرژی الکترونی در لایه های نازک فلزی منتشر شد. این مقاله نشان می داد که مد های پلاسمونی می توانند در سطح فلز وجود داشته باشند و همچنین این مقاله اولین توصیف نظری پلاسمون های سطحی را ارائه می دهد. این پیش بینی در سال ۱۹۵۹ به صورت تجربی به اثبات رسید و سرانجام این مدها در سال ۱۹۶۰، “پلاسمون های سطحی” نام گرفتند. از آنجایی که این مد متناظر با یک مد ترکیبی می باشد و انرژی اش میان موج چگالی بار (پلاسمون) و موج الکترومغناطیسی (فوتون) تقسیم شده است، بهتر است که پلاریتون های پلاسمون سطحی نامیده شوند که انعکاس دهنده طبیعت ترکیبی نوسان های پلاسما و فوتون ها است [۴-۵و۸-۹].

نزدیک به هفتاد سال بعد از اولین مشاهدات پروفسور وود، ریچی و همکارانش سرانجام در سال ۱۹۶۸ رفتار غیر عادی شبکه های فلزی را با عبارت های نوسانات برانگیخته ی پلاسمون های سطحی روی شبکه ها توصیف کردند. در همین سال، اساسی ترین پیشرفت ها نیز در مطالعه ی پلاسمون های سطحی تحقق یافت. اندرسو آتو[۷] به همراه اریک کرشمان[۸] و هاینز ریتر[۹] روش های مناسبی را برای تحریک پلاسمون های سطحی ارائه دادند و انجام آزمایشات بر روی پلاسمون های سطحی را برای بسیاری از محققان فراهم کردند. از این رو، عملا پلاسمون های سطحی وارد دنیای ساختارهای نوری پر سرعت شدند. در اواخر دهه ی ۱۹۶۰، علاوه بر فیزیکدانان، محققان رشته های دیگر به این پدیده علاقه مند شدند و آن را وارد علوم دیگری چون حسگرهاي زیستی کردند.

در این برهه ی زمانی ویژگی های پلاسمون های سطحی به خوبی شناخته شده بودند ولی ویژگی های نوری نانوذرات فلزیث ناشناخته باقی مانده بود. در سال ۱۹۷۰ بیش از شصت سال بعد از تحقیقات گارنت روی رنگ های موجود در شیشه های رنگی یووی کریبیگ[۱۰] و پیتر زکرایز[۱۱] تحقیقی انجام دادند که در حقیقت مقایسه ای میان پاسخ نوری و الکترونیکی نانوذرات طلا و نقره بود. در این تحقیق آن ها برای اولین بار ویژگی های نوری نانو ذرات را با عبارت های پلاسمون سطحی توصیف کردند.

در سال ۱۹۸۹ توماس ابسن[۱۲] با انجام آزمايشي در مركز تحقيقات NEC  پرينستون با مشاهده يك ورقه ي بسيار نازك طلا زير ميكروسكوپ الكتروني، دريافت كه سطح آن پوشيده از ميليون ها حفره بسيار ريز است. نكته قابل توجه اين بود كه با تابش نور به اين ورقه طلا مشاهده كرد شدت نور عبوري از سطح حفره ها بسيار بيشتر از نور تابيده به سطح آنها بود، در حالي كه طبق نظريه اپتيك تنها ۰٫۰۱ درصد از نور تابيده شده به حفره ي ۳۰۰ نانومتري مي تواند عبور كند؛ مثل اين بود كه فلز همچون كانالي نور تابشي به روزنه هاي نانومتري را هدايت و متمركز كند. ابسن اين آزمايش را براي نمونه هاي زيادي تكرار كرد و نتايج مشابهي به دست آورد، اما به دليل اينكه در آن زمان كسي قادر به توجيه تئوري اين پديده نبود، اين نتايج ثبت نشد. پيشرفت چشم گير ديگر در سال ۱۹۹۱، توليد حسگرهاي تجاري بود كه بر اساس تشديد پلاسمون سطحي كار مي كرد.

تا سال ۱۹۹۸، زماني كه پيتر ولف[۱۳]، متخصص محاسبه رفتار الكترونها در فلزات، به NEC  پيوست، مشاهدات ابسن بدون توجيه باقي ماند. در سطح يك فلز الكترون ها مي توانند آزادانه حركت كنند و دريايي تشكيل دهند كه مي تواند توسط پلاسمون هاي سطحي مواج شود. ولف دريافت كه تابش نور به سطح فلز مي تواند درياي الكترون ها را به نوسان وا دارد. اگر فركانس نور تابشي با فركانس تشديد پلاسمونهاي سطحي مطابقت داشته باشد، پديده ي مورد مشاهده ابسن مي تواند رخ دهد. ولف براي تأييد نظريه خود آزمايشهاي بسياري ترتيب داد و سرانجام در ۱۹۹۸ به اتفاق ابسن آن را با عنوان عبور شگفت آور نور از ميان روزنه هاي فلزي زير طول موجي در مجله طبيعت[۱۴] به چاپ رسانيد.

ولف و ابسن نشان دادند كه پديده فوق تنها زماني مي تواند اتفاق افتد كه انرژي و تكانه ي نور و پلاسمون هاي سطحي برابر باشد. اين شرايط درفلزات با سطح صاف و براق برقرار نيست، اما فلزات با سطوح حفره دار قدري متفاوتند. روزنه ها انرژي و تكانه ي پلاسمون هاي سطحي را به گونه اي تنظيم مي كنند كه با نور تابشي هماهنگ شود و به تشديد درآيند. البته سطوح فلزي حفره دار تنها راه تحريك پلاسمون هاي سطحي نيستند.

با دستیابی به فناوري تولید در ابعاد نانو جهش دیگري در اواسط دهه ي ۱۹۹۰ در این زمینه رخ داد. با توانایی برش در ابعاد نانو و کنترل این پدیده توسط شکل ظاهري ساختارها توجه گروه هاي بسیاری به سوی این حوزه ی نوین جلب شد. برخلاف مفاهيم بنيادي و اساسي روزهاي نخست، امروزه تحقيقات كاربردي اين بحث بيش تر مورد توجه پژوهشگران واقع شده است. بسياري از چالش هاي اخير فنآوري، مي توانند با استفاده از خصوصيات بي نظير پلاسمون هاي سطحي مرتفع شوند. به لطف تحقيقات انجام شده تاكنون، گستره وسيعي از ادوات و فنآوري نوري پلاسموني شامل موجبرهاي غير فعال، سوده هاي فعال، بيوحسگرها و پوششهاي ليتوگرافي متنوعي را امروزه شاهد هستيم. در شکل ۴٫۱  روند رشد مقالات در حوزه ی علم پلاسمونیک بین سالهاي ۱۹۶۰ تا ۲۰۰۸ به نمایش در آمده است.

.

شکل  ‏۱‑۵: تعداد مقالاتی که در زمینه ي پلاسمونیک بین سالهاي ۱۹۶۰ تا ۲۰۰۸ منتشر شده است.

.

ایده هاي جدیدی همچون استفاده از فرامواد در حوزه ي پلاسمونیک، طراحی و تولید نانو آنتن هاي نوري، لیزرهاي بسیار باریک و حسگرهای زیستی توجه بسیاري از پژوهشگران را به این زمینه جلب نموده است که می تواند دلیل گسترش در حوزه ي کاربردهاي احتمالی در ساختارهاي پر سرعت آینده باشد.


[۰] Lycurgus cup

[۱] Robert Wood

[۲] Maxwell Garnett

[۳] G.Mie

[۴] David Pines

[۵] Robert Fano

[۶] Rufus Ritchie

[۷] Anderson Otto

[۸] Erich Kertschmann

[۹] Heinz Reather

[۱۰] Uwe Kreibig

[۱۱] Peter Zacharias

[۱۲] Thomas Ebbesen

[۱۳] Peter Wolf

[۱۴] Nature

 

 

دیدگاهی بنویسید