Physics of surface plasmon resonance

Abstract

Pintaplasmoniresonanssi (engl. surface plasmon resonance, SPR) on ilmiö, joka esiintyy tietyissä metallipinnoissa, tyypillisesti kullassa ja hopeassa, kun metallin vapaat elektronit kytkeytyvät virittävän valon fotonien kanssa. Pintaplasmonit ovat sähkömagneettisia aaltoja, joilla on intensiteettimaksimi rajapinnassa ja jotka vaimenevat eksponentiaalisesti kohtisuorassa rajapintaa vastaan. Resonanssi viritetään useimmiten käyttäen vaimennetun kokonaisheijastuksen komponenttia, tavallisimmin prismaa, joka on päällystetty metallikerroksella. Ilmiö voidaan havaita suoraviivaisesti, sillä tietyillä valon tulokulmilla heijastuneen valon intensiteetti pienenee resonanssin seurauksena. Resonanssiolosuhteet ovat hyvin herkkiä ympäristön taitekerroinmuutoksille, minkä vuoksi SPR-laitteet ovat hyödyllisiä erilaisissa anturisovelluksissa.

Tässä työssä käsitellään pintaplasmoniresonanssiin liittyvää fysiikkaa. Pintaplasmonien etenemisominaisuudet ja taajuus ovat mielenkiinnon kohteina, samoin plasmonien kytkeminen valon kanssa useita eri menetelmiä käyttäen. Resonanssin käyttäytymistä simuloidaan numeerisesti, jotta saataisiin tarkempaa tietoa ilmiöstä.

Pintaplasmoniresonanssiin liittyy myös monia mielenkiintoisia ominaisuuksia ja sovelluksia joita tässä työssä käsitellään. Esimerkiksi pintaplasmonimikroskopia on anturien ohella yksi tärkeimmistä SPR:n sovelluksista sen erinomaisten kontrastiominaisuuksien ansiosta. Pintaplasmoneita esiintyy myös pallomaisissa metallisissa nanomittakaavan partikkeleissa. Tätä niin kutsuttua paikallista SPR ilmiötä voidaan hyödyntää esim. pienoissensoreissa sekä mahdollisesti tulevaisuudessa fotoniikan komponenteissa.

Työn kokeellisessa osassa mitataan pintaplasmonien virittymistä ohuessa, 50 nm paksussa kultakalvossa käyttäen prismaa valon kytkemiseen ja valonlähteenä 635 nm:n aallonpituudella toimivaa diodilaseria. Mitattujen SPR-käyrien muodot vastaavat hyvin simuloituja käyriä.