تشدید پلاسمون سطحی و حسگرهای پلاسمونیک

پلاسمونیک علمی است که امکان محدود کردن امواج الکترومغناطیسی در ناحیه‌ای بسیار کوچک را فراهم کرده و به همین علت، یکی از موضوع‌های جذاب در علوم مختلفی همچون پزشکی، محیط‌زیست و طیف‌سنجی است. یکی از مهم‌ترین کاربردهای این پدیده، ساخت حسگرهای پلاسمونیک است. در پلاسمونیک، طیف بازتابی از سطح فلز یا نانوذرات فلزی به ضریب شکست محیط اطراف وابسته است و این موضوع اساس عملکرد حسگرهای پلاسمونیک است. تغییر در ضریب شکست محیط اطراف موجب تغییر طول‌موج، شدت و زاویه پلاسمونیک می‌گردد. بنابراین با پایش پیوسته این پارامترها، می‌توان کمیت موردنظر را اندازه‌گیری کرد.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر می‌باشد.

جامدات از لحاظ الکترون‌های آزاد و مقید به سه دسته اصلی فلز، نیمه هادی و عایق تقسیم می‌شوند. اگر به سطح یک فلز نور بتابانیم دو اتفاق عمده رخ می‌دهد: 1-الکترون به تراز بالاتر انرژی منتقل می‌شود2- الکترون شروع به نوسان می‌کند. این دو پدیده به علت جذب نور توسط فلز رخ می‌دهد. به نوسان الکترون‌ها ناشی از جذب نور، پلاسمون می‌گویند. علت نامگذاری پلاسمون، به دلیل تشابه الکترون‌های آزاد فلز و الکترون‌های پلاسما می‌باشد. اگر فرکانس نور فرودی با فرکانس نوسان ذاتی الکترون‌های فلز برابر شود، بیشترین میزان جذب در این فرکانس شکل گرفته و پدیده تشدید رخ می‌دهد. در حالت تشدید همه انرژی نور فرودی در این فرکانس خاص، از طیف جدا شده و موجب نوسان الکترون‌های آزاد سطح فلز می‌گردد. اگر این نوسانات دسته جمعی در مرز دو محیط فلز- دی‌الکتریک انجام شود به آن پدیده تشدید پلاسمون سطحی یا (Surface Plasmon Resonance) SPR می‌گویند[1].
برانگیختگی نوری پلاسمونیک، به شدت نور، جنس سطوح و ساختار بستگی دارد[2]. فلزاتی مانند طلا، نقره، مس و آلومینیوم به طور گسترده برای تشدید پلاسمون سطحی استفاده می‌شوند[3]. بازه فرکانسی برانگیختگی پلاسمونیک در فلزات مختلف، در محدوده‌های متفاوتی رخ می‌دهد و این موضوع امکان استفاده در کاربرد پلاسمونیک در علوم مختلف را فراهم کرده است[4]. به عنوان مثال، طیف پلاسمونیک فلزاتی همچون سرب، ایندیم، جیوه، قلع و کادمیوم در ناحیه UV و مس، نقره و طلا در ناحیه مرئی می‌باشد.
تشدید پلاسمون سطحی در زمینه‌های مختلفی همچون حسگرهای محیطی و شیمیایی، آشکارسازهای نوری، اپتیک غیرخطی، طیف‌سنجی رامان و درمان سرطان کاربرد دارد[5].

در بین سال‌های 1902 تا 1912 ربرت وود متوجه شد، وقتی نور قطبیده را به توری پراشی که در پشت آن یک لایه فلزی داشت، می‌تاباند، باندهای غیرمعمولی تاریک و روشن در طیف بازتابی مشاهده می‌کند(شکل1). در آن زمان نحوه برهم‌کنش نور، توری و لایه فلزی قابل توجیه نبود[6].

اولین بررسی تئوری در مورد این ناهنجاری توسط رایلی در سال 1907 انجام شد[7]. رایلی متوجه شد که طول‌موج‌های رایلی در وقوع این پدیده نقش دارند. فانو در سال 1941 با توجه به تجزیه و تحلیل نظری انجام شده، به ارتباط این پدیده با امواج سطحی اشاره کرد[8] . در دهه پنجاه آزمایش‌های بیشتری بر روی تلفات انرژی الکترون در گازها و بر روی ورقه‌های نازک انجام شد[9]. پینز و بوهم حدس زدند که اتلاف انرژی ناشی از برانگیختگی الکترون‌های هدایت است که پلاسمون را ایجاد می‌کند[10, 11]. تحقیقات بیشتر  نشان داد که اتلاف انرژی ناشی از تحریک یک نوسان پلاسمای سطحی است که در آن، بخشی از میدان الکتریکی به فراتر از مرز نمونه گسترش می‌یابد. در اواخر دهه شصت، تحریک نوری پلاسمون‌های سطحی با استفاده از بازتاب کلی ضعیف شده توسط کرشمن، راتر و اتو نشان داده شد[12-14].

3- تشدید پلاسمون سطحی