پلاسمون

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

در فیزیک به نوسانات الکترون های آزاد یک محیط پلاسمایی، پلاسمون می‌گویند. اگر این الکترون ها درون حجم یک فلز قرار داشته باشد به آنها پلاسمون های حجمی گفته می شود.

توضیح[ویرایش]

در یک نمای کلاسیکی پلاسمون ها می توانند به عنوان یک نوسان چگالی الکترون های آزاد نسبت به یون های مثبت در یک فلز توصیف شوند. برای روشن شدن مطلب یک مکعب فلزی را تصور کنید که در یک میدان الکتریکی که جهت آن از چپ به راست می باشد قرار دارد. الکترون ها به سمت چپ حرکت میکنند (یون های مثبت را در سمت راست باقی می گذارند) تا زمانی که میدان را درون فلز خنثی کنند. اگر میدان الکتریکی برداشته شود الکترون ها به طرف راست حرکت می کنند ِیکدیگر را دفع میکنند و بوسیله یون های مثبت جذب میشوند. الکترون ها در فرکانس پلاسما به جلو و عقب می روند تا زمانی که انرژی آنها در یک فرایند مقاومتی یا استهلاکی تمام شود. پلاسمون ها کوانتوم این نوع نوسان ها می باشند.

وظیفه پلاسمون‌ها[ویرایش]

پلاسمون نقش عمده‌ای در خواص نوری فلزات دارد. نور با فرکانس، زیر فرکانس پلاسما بازتاب می‌شود، زیرا الکترون‌ها در فلز میدان الکتریکی نور را نمایش می‌دهند. نور با فرکانس، بالای فرکانس پلاسما عبور می‌کند، زیرا الکترون ها نمی توانند به اندازه کافی سریع به نمایش آن‌ها پاسخ دهند. بسیاری از فلزات، که فرکانس پلاسما آن‌ها درناحیه ماورای‌بنفش است، در ناحیه مرئی براق (بازتابنده) هستند. برخی از فلزات، مانند مس و طلا، در ناحیه مرئی دارای گذارهای باند الکترونی هستند، در نتیجه انرژی‌های نوری خاص (رنگ ها) جذب می‌شوند. در نیمه‌هادی‌ها، فرکانس پلاسما الکترون ظرفیت معمولا در اعماق ماوراء بنفش است، که به همین دلیل آنها نیز بازتابنده هستند.

انرژی پلاسما را معمولا در مدل الکترون آزاد می‌توان به‌صورت


E_{p} = \hbar \sqrt{\frac{n e^{2}}{m\epsilon_0}}= \hbar \cdot \omega_{p},

تقریب زد، که n چگالی الکترون رسانش، e بار اصلی، m جرم الکترون، \epsilon_0 گذردهی خلا، \hbar ثابت پلانک و \omega_{p} فرکانس پلاسما است.

پلاسمون‌های سطحی[ویرایش]

به پلاسمون‌های تشکیل شده در سطح مشترک یک فلز و دی الکتریک پلاسمون‌های سطحی می‌گویند.پلاسمون‌های سطحی، پلاسمون‌های محدود شده به سطح هستند و به شدت با نور ناشی از پلاریتون‌ها واکنش می‌دهند. آن‌ها در فصل مشترک بین خلاء و مواد با ثابت دی الکتریک موهومی کوچک مثبت و حقیقی بزرگ منفی (معمولا فلز و دی الکتریک آلاییده) رخ می دهد. آن‌ها در اسپکتروسکوپی رامان افزایشی سطح و در توضیح ناهنجاری‌ها در پراش از توری‌های فلزی (ناهنجارهای چوب)، در میان چیزهای دیگر نقش ایفا می‌کنند. بیوشیمیدان‌ها از رزونانس پلاسمون سطحی برای مطالعه مکانیسم‌ها و جنبش‌های لیگاندهای متصل به گیرنده‌ها (یعنی اتصال ماده زمینه به آنزیم) استفاده می‌کنند.

Gothic stained glass rose window of کلیسای نوتردام. The colors were achieved by colloids of gold nano-particles.

اخیراً پلاسمون‌های سطح برای کنترل رنگ‌های مواد استفاده می‌شوند. این ممکن است زیرا کنترل شکل و اندازه ذره، انواع پلاسمون‌های سطح را تعیین می‌کند که می‌توانند با آن جفت شوند و در میان آن منتشر شوند. بنابراین، واکنش نور با سطح را کنترل می‌کند. این اثرات در شیشه‌های رنگی قدیمی به‌کاربرده شده در کلیساهای قرون وسطی دیده می‌شود. در این مورد، نانوذرات فلز با اندازه ثابت که با میدان اپتیکی واکنش می‌دهند، باعث تغییرات رنگ در شیشه می‌شوند. در علم مدرن، این اثرات هم برای نور مرئی و هم برای تابش ماکرویو مهندسی شده است. بیشتر مطالعات در ناحیه ماکرویو است، زیرا در این طول‌موج سطوح مواد به‌طور مکانیکی طرح‌هایی در اندازه‌های چندین سانتیمتر ایجاد می‌کنند.برای تولید اثرات نوری پلاسمون سطح، به سطوح ۴۰۰ نانومتر نیاز است. این بسیار سخت است و اخیراً به روش‌های معتبر یا سودمند ممکن است.

کاربردهای ممکن[ویرایش]

موقعیت و شدت پیک‌های جذب و گسیل پلاسمون، متأثر از جذب سطحی مولکول‌ها هستند، که در حسگرهای مولکولی می‌توانند استفاده شوند. برای مثال، به طورکاملاً عملیاتی دستگاه نمونه اولیه تشخیص کازئین موجود در شیر ساخته شده است. دستگاه براساس شناسایی تغییر در جذب لایه طلا کار می‌کند. پلاسمون‌های سطحی موضعی نانوذرات طلا می‌توانند برای شناسایی انواع مختلف مولکول‌ها، پروتئین‌ها و غیره استفاده شوند.

هم اکنون از پلاسمون به عنوان وسیله ای برای انتقال اطلاعات بر روی تراشه های کامپیوتری استفاده می‌شود، زیرا پلاسمون‌ها می‌توانند برای فرکانس‌های بسیار بالا درنظرگرفته شوند (تا محدوده ۱۰۰ تراهرتز، درحالیکه سیم های معمولی در ده گیگاهرتز بسیار پراتلاف هستند). برای الکترونیک مبتنی بر پلاسمون، (plasmonster) می‌توانند مفید باشد.

پلاسمون‌ها همچنین به عنوان وسیله ای برای لیتوگرافی با رزولوشن بالا و میکروسکوپی با طول موج های بسیارکوچک ارائه شده اند. هر دو این کاربردها باموفق در محیط آزمایشگاهی اثبات می‌شود. درنهایت، پلاسمون‌های سطحی دارای ظرفیت‌های منحصربه فردی برای محدود کردن نور به ابعاد بسیار کوچک که می‌تواند بسیاری از کاربردهای جدید را ممکن سازد، هستند.

پلاسمون‌های سطحی به خواص موادی که برروی آن‌ها منتشر می‌شوند، بسیار حساس هستند. این امر به استفاده از آنها برای اندازه گیری ضخامت تک لایه‌ها در فیلم‌های کلوئیدی، مانند غربالگری و تعیین وقایع پروتئین، منجرشده است. شرکت هایی مانند Biacoreدارای ابزارات تجاری که با این اصول عمل می‌کنند، هستند. پلاسمون‌های سطحی نوری برای بهبود ترکیب بررسی شده اند. در سال ۲۰۰۹، یک تیم تحقیقاتی کره‌ای راهی برای بهبود بهره‌وری دیود ساطع نورآلی، با استفاده از پلاسمون، پیدا کردند.

منابع[ویرایش]

جستارهای وابسته[ویرایش]

پلاسمونیک