نانوذرات فلزی و پلاسمونیک

امتیاز کاربران

ستاره فعالستاره فعالستاره فعالستاره فعالستاره فعال
 

نانوذرات از د‌ه‌ها يا صدها اتم يا مولكول و با اندازه‌ها وشکل‌های مختلف ساخته می‌شوند. مطالعات نشان مى‌دهد كه اندازه ذره روى نقطه ذوب، انحلال‌پذيرى، ويژگی‌هاى نورى، واكنش‌پذيرى شيميايى، انرژى پيوند بين اتم‌ها، ساختار بلورى، پهناى خط پلاسمون، شاخص‌هاى شبكه، خواص ترموديناميكى و سينتيكى، نظم ويژه سطوح الكترونى و نظایر آن تأثيرگذار است

 

1- مقدمه

نانوذرات از د‌ه‌ها يا صدها اتم يا مولكول و با اندازه‌ها وشکل‌های مختلف ساخته می‌شوند. مطالعات نشان مى‌دهد كه اندازه ذره روى نقطه ذوب، انحلال‌پذيرى، ويژگی‌هاى نورى، واكنش‌پذيرى شيميايى، انرژى پيوند بين اتم‌ها، ساختار بلورى، پهناى خط پلاسمون، شاخص‌هاى شبكه، خواص ترموديناميكى و سينتيكى، نظم ويژه سطوح الكترونى و نظایر آن تأثيرگذار است [1].

   در فلزات نجيب شامل نقره، پلاتین، طلا و نظایر آن [2]، زمانى كه اندازه‌ى ذره به چند ده نانومتر می‌رسد، يك جذب خيلى قوى مشاهده مى‌شود كه منشأ آن، نوسان الكترون‌ها در نوار هدايت از سطح يك ذره به ذره ديگر است [3]. به اين نوسان كه يك جذب قوى در ناحيه مرئى دارد، جذب پلاسمون سطحی گفته مى‌شود، كه از سال‌ها پيش مورد استفاده قرار گرفته است [4]. اما دليل آن تا قرن هفدهم مشخص نبود. نانوذرات طلا، رنگ قرمز بسيار درخشانى را ايجاد مى‌كند كه در پنجره هاى كليساها كاربرد داشته است، همچنين چينى ها از آن در رنگ كردن ظروف و وسايل تزئينى استفاده مى‌كردند. در يك جام رومى‌ موسوم به جام ليكرگوس نيز از نانوذرات طلا استفاده شده است تا رنگ هاى متفاوتى از آن جام بر حسب نحوه ى تابش نور از جلو يا عقب پديد آيد [5]؛ البته علت چنين اثراتى براى سازندگان اين جام، در آن زمان ناشناخته بوده است. اين اختلاف رنگ در مقياس نانو نسبت به مقياس هاى بزرگ‌تر، ناشى از وابستگى خواص نورى نانوذرات به اندازه آنهاست. به عنوان مثال وقتی از روبرو به جام نگاه می‌کنیم به رنگ سبز دیده می‌شود زیرا در زمان برخورد نور مرئی (نور سفید) طول موج سبز بازتاب می‌شود. وقتی از پشت آن را مشاهده می‌کنیم به رنگ قرمز دیده می‌شود بدین معنا که تنها طول موج قرمز از جام عبور کرده و در پشت جام به چشم ما می‌رسد. سایر طول موج‌ها جذب شیشه آلاییده شده به ذرات فلزی خواهند شد. به این اثر صافی‌سازی  رنگ ناشی از نانوذرات فلزی گویند [6].

   اثر صافی‌سازی رنگی ناشی از پراکنده‌سازی و جذب نور توسط نانوذرات فلزی به دلیل اندرکنش (فعل و انفعال)  تشدیدی میان میدان الکترومغناطیسی نور مرئی (نور در محدوده طول موجی مرئی از 390 نانومتر تا 700 نانومتر) و الکترون‌های آزاد در تراز هدایت نانوذرات فلزی است [7]. این تشدید، تحریک الکترومغناطیس-الکترون به پلاسمون سطحی موضعی  معروف است [8, 9]. پلاسمون های سطحی، نوسانات سطحی الکترون‌ها توسط سیگنال نوری در روی سطح مشترک یک فلز با دی الکتریک (مانند یک ورقه فلز با هوا) است، تشدید پلاسمون‌های سطحی در نانو ساختارهای فلزی را تشدید پلاسمون‌های سطحی موضعی می‌نامند [9].

2- آشنایی با پلاسمون سطحی

پلاسمون، نوسانات جمعی الکترونهای رسانش فلز در هنگام عبور الکترون پر انرژی است، اگر این الکترون‌ها درون حجم یک فلز قرار داشته باشد به آنها پلاسمون‌های حجمی گفته می شود. در سال 1956، گروهی از پژوهشگران  به صورت تحلیلی دلیل افت سریع انرژی الکترون‌ها در عبور از فلزات را بیان نمودند و نتیجه گرفتند که این انرژی صرف حرکت تجمعی و نوسان گونه الکترون‌های آزاد فلز می‌شود و آن را پلاسمون نامید. دلیل این نام گذاری شباهت این نوسانات الکترون ها با نوسان های ذرات محیط پلاسما بود [10].

محلول كلوئيدى از نانوذرات طلا به دليل جذب پلاسمون سطحى، رنگ قرمز شديدى را از خود نشان مى‌دهد [9]. وجود يك فصل مشترك بين مواد با ثابت دى‌الكتريك مختلف، ممكن است به فرايندهاى تحريك ويژه سطحى منجر شود. فصل مشترك ميان ماده‌اى با ثابت دى الكتريك مثبت و ماده‌اى با ثابت د‌ی‌الكتريك منفى مثل فلزات، می‌تواند باعث انتشار امواج الكترومغناطيسى ویژه ای شود كه امواج پلاسمون سطحى خوانده مى‌شوند و در محدوده نزديك سطح باقى مى‌ماند. اين تشدید پلاسمون سطحى، توسط حركت همدوس الكترون‌هاى باند هدايت، كه با ميدان الكترومغناطيس برهم كنش مى‌كند، بوجود مى‌آيد. فركانس و عرض جذب پلاسمون وابسته به شكل و اندازه نانوذرات فلزى است، همچنین به ثابت دى الكتريك محيط و فلز هم وابسته است[1]. فلزات نجيب مثل نقره و طلا داراى يك تشدید پلاسمون مرئى بسيار قوى هستند، اين در حالى است كه بسيارى از ديگر فلزات واسطه، فقط يك باند جذبى ضعيف و پهن در ناحيه فرابنفش دارند. اين تفاوت مربوط به كوپلاى قوى موجود ميان انتقال پلاسمون و تحريك بين باندى است، همچنين الكترون‌هاى باند هدايت فلزات نجيب مى‌توانند آزادانه و مستقل از پس زمينه يونى حركت كنند. يون ها فقط به عنوان مراكز پراكنده كننده عمل مى‌كنند. اين مسئله در فلزات نجيب قابليت پلاريزاسيون زيادى را به الكترون ها مى‌دهد كه تشدید پلاسمون را به سمت فركانس‌هاى پايين جابه‌جا مى‌كند. 

پلاسمون را می‌توان در تصویرکلاسیکی به عنوان نوسان جمعی الکترون‌های آزاد دانست و با توجه به یون‌های مثبت ثابت در یک فلز شرح داد. برای تجسم نوسان پلاسما، تصور کنید یک مکعب فلزی در یک میدان الکتریکی خارجی که جهت آن به سمت راست است، قرار می‌گیرد. پس الکترون‌های فلز به طرف چپ کشیده می‌شوند و یون‌های مثبت در طرف راست باقی می‌مانند، اکنون اگر میدان الکتریکی خارجی از بین برود الکترون ها به طرف راست حرکت می‌کنند و همدیگر را دفع کرده و توسط یونهای مثبت جذب می‌شوند در واقع الکترون ها شروع به نوسان در یک فرکانس خاص می‌کنند. که به این نوسانات طولی الکترون‌های رسانش در فلز نوسان پلاسما گفته می‌شود، که پلاسمون یک کوانتوم از این نوسانات پلاسماست. شرط نوسان به این صورت است که فرکانس فوتون های پرتو تابش شده با فرکانس طبیعی الکترون‌های سطحی یکسان باشد.

   به پلاسمون‌های تشکیل شده در سطح مشترک یک فلز و دیالکتریک پلاسمون‌های سطحی می‌گویند [10].  پلاسمون های سطح توسط فوتون‌های نورمرئی یا فرابنفش برانگیخته می‌شوند كه به این پدیده تشدید پلاسمون سطحی گفته می‌شود. پلاسمون‌های سطحی، پلاسمون‌های محدود شده به سطح هستند و به شدت با نور ناشی از پلاریتون‌ها واکنش نشان می‌دهند. آن‌ها در فصل مشترک بین خلاء و مواد با ثابت دی الکتریک موهومی کوچک مثبت و حقیقی بزرگ منفی (معمولاً فلز و دیالکتریک آلاییده) رخ می‌دهد. براي بررسی پلاسمون سطحی، ابتدا باید رفتار فلزات در مقابل میدان الکترومغناطیسی نور مورد مطالعه قرار گیرد. پاسخ اپتیکی فلزات توسط تابع دي الکتریک آن‌ها شناخته می‌شود.

   پلاسمون نقش مهمی در خواص نوری فلزات دارد که با توجه به کاربرد مورد نظر، فرکانس نوری را که می خواهیم بتابانیم با فرکانس پلاسما هماهنگ می‌کنیم تا تشدید رخ دهد. در بیشتر فلزات،  فرکانس پلاسما به ناحیه فرابنفش کشیده می شود بنابراین این فلزات بازتاب کننده نور در ناحیه مرئی می باشند و به همین دلیل درخشنده و براق هستند [8].

  در ابعاد نانو، نانو ساختارهای فلزی خواص متفاوتی نسبت به حالت توده ایشان دارند، نانوذره ها دارای تعداد زیادی اتمهای سطحی در مقایسه با اتم‌هایی که درون حجم آن‌ها قرار دارند می‌باشد. این خود باعث افزایش اهمیت اثرات سطحی در مقایسه با اثرات حجمی است. در واقع نانو ذرات در پاسخ به میدان‌ها و نیروهای خارجی اثراتی را نشان می دهند که وابسته به اندازه و شکل ذره و به همان نسبت به ثابت دى الكتریك محیط و فلز میباشد که بر همین اساس می توانیم در نمودار طیف نوری، سایز نانو ذرات را تخمین بزنیم. وابستگی طیف نوری نانوذره های بزرگ به اندازه آنها، یک اثر خارجی است که تنها توسط ابعاد ذره نسبت به پرتو الکترومغناطیسی کنترل می‌شود.

برای نانو ذره‌های کوچک اثرات ذاتی (تغییرات نسبت حجم به سطح ماده) اندازه نیز نقش پیدا می‌کند. تغییرات اندک در دی‌الکتریکِ اطراف نانو حجم، بر روی تشدید پلاسمون‌های سطحی اثر می‌گذارد، به طوری که این تغییرات خود را در میزان پرتو پراکنده شده، پرتو جذب شده و یا تغییر طول موج آن نشان می‌دهد.

3- کاربردها

پديدۀ تشديد پلاسمون سطحي، برانگيختگي مد ارتعاش جمعي الكترونهاي آزاد فصل مشترك فلز و دي الكتريك مي باشد. اين برانگيختگي ناشي از برهمكنش  امواج الكترومغناطيس در ناحيه مرئي با الكترونهاي آزاد نانو ذرات طلا و نقره مي باشد. امروزه كاربرد اين پديده در شناسايي و آشكارسازي مواد، گازهاي شيميايي و مولكول‌هاي بيولوژيکی موضوع مهم تحقيقات بين رشته‌اي علوم پایه، فنی مهندسی و علوم پزشکی است. در اين روش پاسخ الكترون‌هاي آزاد نانو ذرات به ميدان الكترومغناطيس در حضور  بیومولکول‌ها به صورت تغييرات در طول موج و شدت جذب قابل مشاهده است. این تغییرات در حضور  بیومولکول‌ها قابل کالیبراسیون به غلظت بیومولکول مورد آزمایش می باشد. مهمترين كاربردهاي فناوری تشديد پلاسمون سطحي به شرح ذيل می باشد:                       

 

 تشخیص بیومارکرها در تشخیص سرطان

 تشخیص واکنشهای بیومولکولی در داروسازی

 تشخیص های توالی، نقص وجهش های ژنتیکی

 تشخیص ویروس، باکتری و سموم بیولوژی

 تعیین گلوکز در تشخیص بیماریهای دیابت

 تشخیص گازهای بازدمی در بیماریهای ریوی

 تشخیص آلاینده های هوا، مونواکسید کربن وترکیبات گوگرددار

 تشخیص آلاینده های آب وخاک، یونهای جیوه

 تشخیص مواد مخدر و دوپینگ

 بررسی فرایند های پلاسمونی در سلولهای خورشیدی

 بررسی فرایند های کاتالیستی

 

تشدید الکترون‌های آزاد سطحی، اساس بسیاری از ابزارهای استاندارد اندازه گیری جذب سطحی مواد روی سطح فلزات تخت است. سنسور تشدید الکترون‌های آزاد سطحی، از امواج الکترومغناطیسی که در خط اتصال رسانا عایق منتقل می‌شود استفاده می‌کند این سنسور روی سطح بسیار نازک رسانایش اندازه‌گیری‌های کوچک حجم را انجام می‌دهد. این ویژگی سنسور تشدید الکترون‌های آزاد سطحی برای شناسایی رفتار سلول‌های عصبی بسیار مناسب است. زیرا که پتانسیل‌های فعال با تغییر بسیار کوچک در حجم سلول و تغییر موضعی ضریب شکست همراه هستند. در مطالعات امروزه حسگر تشدید الکترون‌های آزاد سطحی به عنوان ابزاری مصنوعی و بدون نشان‌دار کردن برای ثبت فعالیت‌های سلول عصبی به کار می‌رود. این روش برای بدست آوردن تغییرات اپتیکی در خط مرز طلا -عصب و مقایسه دریافت‌های اپتیکی و دریافت‌های الکتریکی که به طور همزمان انجام می‌شوند به کار می‌رود که روشی بسیار دقیق است [11, 12].

   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 [13]. 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 مایکرویو مهندسی شده است. 

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 وسیله‌ای 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). 

پلاسمون‌ها همچنین به عنوان وسیله‌ای برای لیتوگرافی با رزولوشن بالا و میکروسکوپی با طول موج‌های بسیار کوچک ارائه شده‌اند. در نهایت، 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، منجر شده است. 

گروهی از محققان به کمک عامل دار کردن نانو ذرات طلا و استفاده از ویژگی رنگ سنجی این نانو ذرات اقدام به شناسایی سلول‌های سرطانی رها شده در خون بیمار نموده‌اند. ویژگی رنگ سنجی نانو ذرات طلا وابسته به خواص رزونانس پلاسمون سطحی آنهاست که با عامل دار کردن، در برخورد با سلول‌های سرطانی تغییر رنگ می‌دهند. 

طوری که با افزودن نانو ذرات طلا به توده‌های سلولی، در حضور سلول‌های سرطانی، نانو ذرات آزاد در محیط باقی مانده و آنچه مشاهده می‌شود رنگ قرمز است. این درحالی است که در صورت غیاب سلول‌های سرطانی، رنگ بنفش دیده می‌شود.

ایجاد ارتباط میان نانو ذرات می‌تواند به پژوهشگران کمک کند تا از سوئیچ‌های الکتریکی استاندارد برای ساخت نمایشگر رنگی استفاده کنند. در این روش دو نانو ذره به هم جفت شده و پراش نور را انجام می‌دهند. ایجاد میل شیمیایی می‌تواند با اعمال ولتاژ ایجاد شده و یا حذف ولتاژ از بین برود. این اولین روشی است که با استفاده از آن می‌توان تغییرات رنگ را انجام داد. بنابراین این روش مبتنی بر نانو ذرات می‌تواند برای تولید نمایشگر استفاده شود. محققان لایه‌ای ساختند که در آن نانو ذرات، ‌انرژی پرتو تابیده شده را جذب می‌کنند و آن را به پلاسمون تبدیل می‌کند هر پلاسمون فرکانس ویژه‌ای را نشر یا جذب می‌کند افزایش اختلاف در فرکانس‌ها منجر به تفاوت بیشتر در رنگ ایجاد شده می‌شود. محققان این پروژه برای اثبات عملکرد این سیستم، ‌از یک جفت نانو ذره طلا روی سطح شیشه که با اکسید قلع ایندیم پوشش داده شده است، استفاده کردند. اکسید قلع ایندیم ماده رایج در ساخت صفحه نمایش تلفن‌های همراه است. 

گروه دیگری از محققان در چین با استفاده از ترکیب نانوذرات طلا و دی‌اکسید تیتانیوم ماده‌ای آنتی‌باکتریال برای استفاده در قطعات قابل کاشت در بدن را به صورت آزمایشگاهی پیاده سازی نمودند که احتمال عفونی شدن قطعه را به شدت کاهش می‌دهد.

    باکتری‌ها علاقه‌مند به تکثیر در بدن انسان هستند اما عبور از سد پوست کاری دشوار است. جراحانی که اندام‌ها یا قطعات مختلف را درون بدن قرار می دهند همیشه با مشکل تشکیل لایه زیستی در اطراف این قطعات مواجه هستند. آن‌ها به دنبال روش‌هایی برای مقابله با این لایه‌های خطرناک هستند. یکی از راهبردهایی که از سالیان بسیار دور مورد استفاده بوده، استفاده از طلا است. یک گروه چینی از مؤسسه سرامیک شانگهای با استفاده از طلا، امکان عفونی شدن قطعات کاشته شده در بدن را به حداقل رساندند. این گروه با استفاده از نانوذرات طلا، پوششی آنتی‌باکتریال ایجاد کردند که می‌تواند تا حد بسیار بالایی از عفونت جلوگیری کند. عفونت قطعات کاشته شده در بدن یکی از اصلی‌ترین عوامل شکست در عمل‌های جراحی است، دی‌اکسید تیتانیوم به دلیلی داشتن خواص فتوکاتالیستی یکی از ترکیبات مهم برای از بین ‌بردن باکتری است. زمانی که دی‌اکسید تیتانیوم در معرض نور قرار می‌گیرد، از نقطه نظر انرژی برانگیخته می‌شود که دلیل این امر جذب فوتون‌های نوری است. ایجاد جفت الکترون-حفره موجب می‌شود که تیتانیوم تبدیل به یک پذیرنده الکترون شده که با این کار عملکرد غشاء سلولی دچار اختلال می‌شود. در واقع گیرنده‌های ترمینال انتقال الکترون در غشاء در اثر برانگیختگی تیتانیوم و مصرف الکترون‌ها دچار اختلال می‌شوند. با کاهش مقدار الکترون، غشاء ناپایدار و دچار زوال شده که در نهایت به مرگ سلولی ختم می‌شود. شرایط تاریک داخل بدن انسان موجب محدودیت استفاده از اکسید تیتانیوم می‌شود. به همین دلیل می‌توان از نانوذرات طلا برای این کار استفاده کرد زیرا طلا می‌تواند به کمک وجود خاصیت رزونانس پلاسمون سطحی منطقه‌ای در تاریکی نیز فرآیند پذیرندگی الکترون را انجام دهد. پلاسمون‌های سطحی، نوسانات انتخابی الکترون هستند که در سطح میان ماده دی‌الکتریکی و رسانا (بین طلا و دی‌اکسید تیتانیوم) رخ می‌دهند. این نوسانات در مقیاس نانو موجب برانگیختگی نانوذرات طلا شده و در نهایت موجب عبور الکترون‌ها به سطح دی‌اکسید تیتانیوم می‌شود. با این کار دی‌اکسید تیتانیوم به‌عنوان گیرنده الکترون عمل می‌کند. محققان از این روش برای ساخت پوششی آنتی‌باکتریال استفاده کردند [14].

   محققان با ترکيب گرافن با طلا و ساخت ترکيبي متفاوت به ساخت پلاسمون تشديدی دست یافته اند که در هنگام حرکت ذرات در قطبين سلول هاي خورشيدي به آن سرعت بخشيده و ايجاد تشديدهاي مغناطيسي را منجر مي‌گردد. پژوهشگران دانشگاه منچستر مي‌گويند: اين تشديد با نوسانات امواج الکترونيکي حاصل مي‌شود که اتصال بين دو پيوند الکتريکي آن‌ها و دافعه را کاهش مي‌دهد بدين صورت طلا با قرار گرفتن در ميان آنها به نوعي خميدگي منجر و تشديد مطلوب حاصل مي گردد. و نور حاصله هزار بار بيشتر از حالت معمولي به کارگيري گرافن بوده و عملا راه را براي انجام تحقيقات بعدي را محيا مي سازد [15].

در تشدید پلاسمون های سطحی، پراکندگی و جذب نانو ذرات فلزی به ابعاد فلزی تا چندین برابر آت نانوذره افزایش می‌یابد که منجر به یک فیلترینگ در باندهای خاص از طیف الکترومغناطیس خواهد شد. نتیجه دیگر تشدید پلاسمون‌های سطحی این است که در مجاورت نانوذرات فلزی افزایش شدت رخ خواهد داد که این برای ارتقای پدیده‌های نوری وابسته به شدت استفاده شده است. برای مثال جذب نوری در سلول خورشیدی، پراکندگی رامان و پدیده‌های نوری غیرخطی در فرکانس‌های تشدید به شدت به به محیط دی‌الکتریک، خواص مواد، اندازه و شکل نانوذرات فلزی وابسته و حساس هستند. این امر استفاده از تشدید پلاسمونی سطحی را به‌عنوان سنسورهای شیمیایی یا زیستی ممکن می‌سازد [16].

با پیشرفت‌های اخیر در پیاده سازی ساختارها با ابعاد نانو مشابه لیتوگرافی مبتنی بر پرتو الکترونی و milling مبتنی بر پرتو یونی، ما می‌توانیم شکل و اندازه نانوذرات فلزی و دیگر نانوساختارهای فلزی را در ابعاد 10 نانومتر یا کمتر پیاده‌سازی کنیم و تشدید پلاسمونی سطحی را بدقت کنترل نمائیم [17]. از نانوذرات فلزی مهندسی شده به عنوان نانوآنتن‌ها استفاده می‌شود [18] زیرا قابلیت آن‌ها برای دریافت تابش‌های نوری در فرکانس‌هایی خاص و تمرکز آن در میدان نزدیک، یا انتقال انرژی الکترومغناطیس نزدیک به میدان دور زیاد است.

یکی از محدودیت‌های ذاتی ادوات نوری مجتمع، کوچک‌سازی عناصر سازنده آن است که توسط حد پراش نور محدود می‌شود. پلاسمون پلاریتون‌های سطحی به دلیل غلبه بر این مشکل و امکان هدایت نور در ابعاد زیر طول موج، می‌توانند کاربردهای گسترده‌ای در مجتمع سازی مدارهای نوری داشته‌ باشند. این پدیده می‌تواند رویای رسیدن به فناوری پردازنده‌های فوق سریع را واقعیت ببخشد.

   موج‌برهای فلز-عایق-فلز (MIM) به علت هدایت پلاسمون‌های سطحی در سطح مقطع فلز-دی‌الکتریک ساختارهای بسیار مهمی در ادوات پلاسمونیکی هستند [19]. در سال‌های اخیر این ساختارها محبوبیت زیادی در میان محققین بدست آورده‌اند چراکه این موج‌برها نه تنها از انتشار مدهای با طول موج بسیار کوچک و با سرعت گروهی بالا پشتیبانی می‌کنند، بلکه توانایی هدایت موج تا فواصل نسبتا بالا را از خود نشان می‌دهند. ترکیب این موج‌برها با نانوتشدیدگرهایی با شکل‌های مختلف که از پهلو به آن‌ها کوپل شده‌اند، ساختارهای متنوع جدیدی را به وجود می‌آورند که کاربردهای زیادی در ادوات تمام نوری دارند. این ساختار می‌تواند گزینه‌ی مناسبی برای طراحی سوئیچ‌های پلاسمونی در قدرت‌های پایین باشد [20]. 

   امروزه نانوساختارهای فلزی برای تحقق ادوات نوری بسیار کوچک در فرکانس های بالا و غلبه بر حد پراش نور، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. گروهی از محققان [21] فیزیک پلاسمون ها، نحوه انتشار آن ها در مرز مشترک فلز-عایق-فلز و تعدادی از کاربردهای پلاسمونیک آنها را بررسی نموده‌اند. همچنین فیلترهای میان‌گذر و میان نگذر پلاسمونیکیِ مبتنی بر تشدیدگرهای حلقویِ مربعی با روش تفاضل محدود در حوزه ی زمان مورد بررسی و تحلیل عددی قرار داده‌اند. یکی از جالب توجه ترین ویژگی های فیلترهای حلقوی داشتن قابلیت تنظیم طول موج تشدیدی آن به سوی طول موج های بلندتر یا شیفت قرمز می باشد. به منظور تنظیم طول موج های کار فیلتر روش های معمول تغییرِ طولِ محفظه ی حلقه و تغییر عایقِ موجبر تشدیدگر حلقوی مورد بررسی و شبیه سازی عددی قرار گرفته و یک روش برای بدست آوردن شیفت قرمز در طیف عبور فیلترهای مزبور از طریق ایجاد حفره داخل هسته ی تشدیدگر ارائه شده و با استفاده از تزویجِ فیلترهای پلاسمونیکی تشدیدگر حلقوی با یک موجبر Y شکل، یک دایرکشنال کوپلر دوکاناله بدست آمده که با توجه به مقدار تلف کم ساختار و کوچکی ابعاد آن (طول بزرگ آن همچنین قابلیت تنظیم پذیری مُدهای کاری آن توسط روش های مختلف، ساختاری مناسب جهت استفاده در مدارات نوری یکپارچه می باشد [21]. 

 

مراجع

[1] K. L. Kelly, E. Coronado, L. L. Zhao, and G. C. Schatz, “The optical properties of metal nanoparticles: the influence of size, shape, and dielectric environment,” The Journal of Physical Chemistry B, vol. 107, no. 3, pp. 668-677, 2003.

[2] P. B. Johnson, and R.-W. Christy, “Optical constants of the noble metals,” Physical review B, vol. 6, no. 12, pp. 4370, 1972.

[3] P. K. Jain, X. Huang, I. H. El-Sayed, and M. A. El-Sayed, “Noble metals on the nanoscale: optical and photothermal properties and some applications in imaging, sensing, biology, and medicine,” Accounts of chemical research, vol. 41, no. 12, pp. 1578-1586, 2008.

[4] S. Link, Z. L. Wang, and M. El-Sayed, “Alloy formation of gold-silver nanoparticles and the dependence of the plasmon absorption on their composition,” The Journal of Physical Chemistry B, vol. 103, no. 18, pp. 3529-3533, 1999.

[5] I. Freestone, N. Meeks, M. Sax, and C. Higgitt, “The Lycurgus cup—a roman nanotechnology,” Gold Bulletin, vol. 40, no. 4, pp. 270-277, 2007.

[6] Y. S. Do, J. H. Park, B. Y. Hwang, S. M. Lee, B. K. Ju, and K. C. Choi, “Plasmonic Color Filter and its Fabrication for Large‐Area Applications,” Advanced Optical Materials, vol. 1, no. 2, pp. 133-138, 2013.

[7] S. Yokogawa, S. P. Burgos, and H. A. Atwater, “Plasmonic color filters for CMOS image sensor applications,” Nano Letters, vol. 12, no. 8, pp. 4349-4354, 2012.

[8] K. A. Willets, and R. P. Van Duyne, “Localized surface plasmon resonance spectroscopy and sensing,” Annu. Rev. Phys. Chem., vol. 58, pp. 267-297, 2007.

[9] E. Hutter, and J. H. Fendler, “Exploitation of localized surface plasmon resonance,” Advanced Materials, vol. 16, no. 19, pp. 1685-1706, 2004.

[10] W. L. Barnes, A. Dereux, and T. W. Ebbesen, “Surface plasmon subwavelength optics,” Nature, vol. 424, no. 6950, pp. 824-830, 2003.

[11] T. A. Larson, J. Bankson, J. Aaron, and K. Sokolov, “Hybrid plasmonic magnetic nanoparticles as molecular specific agents for MRI/optical imaging and photothermal therapy of cancer cells,” Nanotechnology, vol. 18, no. 32, pp. 325101, 2007.

[12] I. H. El-Sayed, X. Huang, and M. A. El-Sayed, “Surface plasmon resonance scattering and absorption of anti-EGFR antibody conjugated gold nanoparticles in cancer diagnostics: applications in oral cancer,” Nano letters, vol. 5, no. 5, pp. 829-834, 2005.

[13] M. Vincenti, M. Grande, D. De Ceglia, T. Stomeo, V. Petruzzelli, M. De Vittorio, M. Scalora, and A. D’Orazio, “Color control through plasmonic metal gratings,” Applied Physics Letters, vol. 100, no. 20, pp. 201107, 2012.

[14] J. Li, H. Zhou, S. Qian, Z. Liu, J. Feng, P. Jin, and X. Liu, “Plasmonic gold nanoparticles modified titania nanotubes for antibacterial application,” Applied Physics Letters, vol. 104, no. 26, pp. 261110, 2014.

[15] K. Catchpole, and A. Polman, “Plasmonic solar cells,” Optics express, vol. 16, no. 26, pp. 21793-21800, 2008.

[16] N. Liu, M. Mesch, T. Weiss, M. Hentschel, and H. Giessen, “Infrared perfect absorber and its application as plasmonic sensor,” Nano letters, vol. 10, no. 7, pp. 2342-2348, 2010.

[17] C. Vieu, F. Carcenac, A. Pepin, Y. Chen, M. Mejias, A. Lebib, L. Manin-Ferlazzo, L. Couraud, and H. Launois, “Electron beam lithography: resolution limits and applications,” Applied Surface Science, vol. 164, no. 1, pp. 111-117, 2000.

[18] T. Ellenbogen, K. Seo, and K. B. Crozier, “Chromatic plasmonic polarizers for active visible color filtering and polarimetry,” Nano letters, vol. 12, no. 2, pp. 1026-1031, 2012.

[19] G. Wang, H. Lu, X. Liu, D. Mao, and L. Duan, “Tunable multi-channel wavelength demultiplexer based on MIM plasmonic nanodisk resonators at telecommunication regime,” Optics express, vol. 19, no. 4, pp. 3513-3518, 2011.

[20] C. Koechlin, P. Bouchon, F. Pardo, J.-L. Pelouard, and R. Haïdar, “Analytical description of subwavelength plasmonic MIM resonators and of their combination,” Optics express, vol. 21, no. 6, pp. 7025-7032, 2013.

[21] H. Lu, X. Liu, D. Mao, L. Wang, and Y. Gong, “Tunable band-pass plasmonic waveguide filters with nanodisk resonators,” Optics Express, vol. 18, no. 17, pp. 17922-17927, 2010.