표면 플라스몬
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1. 개요
표면 플라스몬은 금속 표면에서 전자의 집단 진동으로 발생하는 현상이다. 1950년대에 처음 예측되었으며, 표면 플라스몬 폴라리톤(SPP)과 국소 표면 플라스몬(LSP)의 두 가지 주요 유형이 있다. SPP는 표면을 따라 전파하며, LSP는 나노 입자와 같은 작은 금속 물체에서 발생한다. 표면 플라스몬은 표면 플라스몬 공명(SPR)과 같은 실험 기술 및 센서, 광학 회로 등에 응용된다.
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| 표면 플라스몬 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 유형 | 전자기파 |
| 분야 | 플라즈몬, 광학, 나노 광학, 표면 과학 |
| 상세 정보 | |
| 설명 | 금속 표면에서 자유 전자들의 집단적인 진동과 빛의 상호작용으로 발생하는 현상 |
| 관련 입자 | 플라스몬 |
| 관련 현상 | 전자기 공명, 빛, 전자기파, 집단 진동 |
| 응용 분야 | |
| 주요 응용 | 표면 플라즈몬 공명 센서 나노 광학 소자 태양 전지 효율 향상 촉매 반응 연구 |
2. 역사
리치(Ritchie)는 1950년대 금속박막 실험에서 특정 조건에서 에너지 손실이 작음을 발견하고, 이것이 표면 전자의 집단 들뜸(collective exciations)에 의한 것임을 예측하였다.[4] 2년 뒤 파웰(Powell)과 스완(Swan)은 일련의 실험을 통해 이러한 집단 들뜸을 확인하였고,[5][6] 스턴(Stern)과 페럴(Ferrell)은 이 현상의 양자를 표면 플라스몬이라 불렀다.[6]
2. 1. 초기 연구
리치(Ritchie)는 1950년대 금속박막 실험에서 특정 조건에서 에너지 손실이 작음을 발견하고, 이것이 표면 전자의 집단 들뜸(collective exciations)에 의한 것임을 예측하였다.[4] 2년 뒤 파웰(Powell)과 스완(Swan)은 일련의 실험을 통해 이러한 집단 들뜸을 확인하였고,[5][6] 스턴(Stern)과 페럴(Ferrell)은 이 현상의 양자를 표면 플라스몬이라 불렀다.[6]3. 표면 플라스몬 폴라리톤 (SPP)
표면 플라스몬 폴라리톤은 전자[1] 또는 광자에 의해 여기될 수 있다. 광자의 경우 직접적으로 여기될 수 없으며, 프리즘, 회절 격자, 또는 금속 표면의 결함이 필요하다.
낮은 주파수에서 표면 플라스몬 폴라리톤(SPP)은 존머펠트-제넥파에 접근하며, 여기서 분산 관계(주파수와 파수 사이의 관계)는 자유 공간과 동일하다. 더 높은 주파수에서 분산 관계는 굽어지며 "플라즈마 주파수"라고 하는 점근선에 도달한다. 자세한 내용은 표면 플라스몬 폴라리톤을 참조하십시오.
표면 플라스몬은 표면을 따라 전파되면서 흡수로 인해 금속에 에너지를 잃거나, 자유 공간이나 다른 방향으로 산란되어 에너지를 잃는다. 전기장은 금속 표면에 수직으로 급격하게 감소하는데, 저주파수에서 SPP의 금속 침투 깊이는 일반적으로 스킨 깊이 공식을 사용하여 근사한다. 유전체에서 전기장은 훨씬 더 느리게 감소한다. SPP는 스킨 깊이 내의 약간의 섭동에 매우 민감하여 표면의 불균일성을 탐지하는 데 사용되기도 한다. 자세한 내용은 표면 플라스몬 폴라리톤을 참조하면 된다.
3. 1. 여기 (Excitation)
표면 플라스몬 폴라리톤은 전자[1] 또는 광자에 의해 여기될 수 있다. 광자의 경우 직접적으로 여기될 수 없으며, 프리즘, 회절 격자, 또는 금속 표면의 결함이 필요하다.3. 2. 분산 관계 (Dispersion relation)
낮은 주파수에서 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)은 존머펠트-제넥파에 접근하며, 여기서 분산 관계(주파수와 파수 사이의 관계)는 자유 공간과 동일하다. 더 높은 주파수에서 분산 관계는 굽어지며 "플라즈마 주파수"라고 하는 점근선에 도달한다. 자세한 내용은 표면 플라즈몬 폴라리톤을 참조하십시오.
3. 3. 전파 길이 및 표면 침투 깊이 (Propagation length and skin depth)
표면 플라스몬은 표면을 따라 전파되면서 흡수로 인해 금속에 에너지를 잃거나, 자유 공간이나 다른 방향으로 산란되어 에너지를 잃는다. 전기장은 금속 표면에 수직으로 급격하게 감소하는데, 저주파수에서 SPP의 금속 침투 깊이는 일반적으로 스킨 깊이 공식을 사용하여 근사한다. 유전체에서 전기장은 훨씬 더 느리게 감소한다. SPP는 스킨 깊이 내의 약간의 섭동에 매우 민감하여 표면의 불균일성을 탐지하는 데 사용되기도 한다. 자세한 내용은 표면 플라즈몬 폴라리톤을 참조하면 된다.4. 국소 표면 플라스몬 (Localized surface plasmons)
국소 표면 플라즈몬은 나노 입자를 포함한 작은 금속 물체에서 발생한다. 시스템의 병진 불변성이 손실되므로, SPP와 같이 파수 측면에서 설명을 할 수 없다. 또한 SPP의 연속적인 분산 관계와 달리, 입자의 전자기 모드는 이산화된다.
LSP는 입사파를 통해 직접적으로 여기될 수 있다. LSP 모드에 대한 효율적인 결합은 공진에 해당하며, 이는 흡수와 산란에 기인할 수 있으며, 국소 전계 증강이 증가한다. LSP 공진은 입자의 모양에 크게 의존한다. 구형 입자는 미 이론으로 분석적으로 연구할 수 있다.
4. 1. 나노 입자에서의 발생
국소 표면 플라스몬은 나노 입자를 포함한 작은 금속 물체에서 발생한다. 시스템의 병진 불변성이 손실되므로, SPP와 같이 파수 측면에서 설명을 할 수 없다. 또한 SPP의 연속적인 분산 관계와 달리, 입자의 전자기 모드는 이산화된다.LSP는 입사파를 통해 직접적으로 여기될 수 있으며, LSP 모드에 대한 효율적인 결합은 공진에 해당하며, 이는 흡수와 산란에 기인할 수 있으며, 국소 전계 증강이 증가한다. LSP 공진은 입자의 모양에 크게 의존하며, 구형 입자는 미 이론으로 분석적으로 연구할 수 있다.
4. 2. 여기 및 공명
국소 표면 플라스몬은 나노 입자를 포함한 작은 금속 물체에서 발생하며, 시스템의 병진 불변성이 손실되므로, SPP와 같이 파수 측면에서 설명할 수 없다. 또한 SPP의 연속적인 분산 관계와 달리, 입자의 전자기 모드는 이산화된다.LSP는 입사파를 통해 직접적으로 여기될 수 있다. LSP 모드에 대한 효율적인 결합은 공진에 해당하며, 이는 흡수와 산란에 기인할 수 있으며, 국소 전계 증강이 증가한다. LSP 공진은 입자의 모양에 크게 의존한다. 구형 입자는 미 이론으로 분석적으로 연구할 수 있다.
5. 실험적 응용
표면 플라즈몬 공명(SPR)은 표면 플라스몬 여기를 활용하는 실험 기술이다. SPR에서 표면 플라스몬의 최대 여기는 입사각 또는 파장의 함수로 프리즘 결합기에서 반사된 전력을 모니터링하여 감지된다. 이 기술은 나노미터 두께 변화, 밀도 변동, 분자 흡수를 관찰하는 데 사용될 수 있다. 최근 연구에 따르면 SPR은 타원 편광법으로 결과를 얻지 못한 다층 시스템의 광학 지수를 측정하는 데에도 활용될 수 있다.
표면 플라스몬 기반 회로는 고성능 데이터 처리 나노 장치에 사용하기 위해 광자 회로의 크기 제한을 극복하는 수단으로 제안되었다. 이러한 나노 장치에서 재료의 플라즈몬 특성을 동적으로 제어하는 능력은 개발의 핵심이다. 플라즈몬-플라즈몬 상호 작용을 사용하는 새로운 접근 방식이 최근 시연되었다. 여기서 벌크 플라즈몬 공명은 빛의 전파를 조작하기 위해 유도되거나 억제된다. 이 접근 방식은 나노 규모의 빛 조작 및 완전한 CMOS 호환 전기 광학 플라즈몬 변조기 개발에 대한 높은 잠재력을 가지고 있음을 보여주었다.
표면 증강 라만 분광법 및 표면 증강 형광과 같은 다른 표면 효과는 귀금속의 표면 플라스몬에 의해 유도되므로, 이를 이용한 표면 플라스몬 기반 센서가 개발되었다.
표면 제2 고조파 발생에서 제2 고조파 신호는 전기장의 제곱에 비례한다. 표면 플라스몬으로 인해 전기장이 계면에서 더 강해져 비선형 광학 효과가 발생한다. 이 더 큰 신호는 종종 더 강한 제2 고조파 신호를 생성하는 데 활용된다.
플라즈몬 관련 흡수 및 방출 피크의 파장과 강도는 분자 센서에 사용될 수 있는 분자 흡착에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 우유에서 카제인을 감지하는 프로토타입 장치가 제작되었다. 이 장치는 금층에 의한 빛의 플라즈몬 관련 흡수 변화를 모니터링하는 것을 기반으로 한다.
5. 1. 표면 플라스몬 공명 (Surface Plasmon Resonance, SPR)
표면 플라즈몬 공명(SPR)은 표면 플라스몬 여기를 활용하는 실험 기술이다. SPR에서 표면 플라스몬의 최대 여기는 입사각 또는 파장의 함수로 프리즘 결합기에서 반사된 전력을 모니터링하여 감지된다. 이 기술은 나노미터 두께 변화, 밀도 변동, 분자 흡수를 관찰하는 데 사용될 수 있다. 최근 연구에 따르면 SPR은 타원 편광법으로 결과를 얻지 못한 다층 시스템의 광학 지수를 측정하는 데에도 활용될 수 있다.표면 플라스몬 기반 회로는 고성능 데이터 처리 나노 장치에 사용하기 위해 광자 회로의 크기 제한을 극복하는 수단으로 제안되었다. 이러한 나노 장치에서 재료의 플라즈몬 특성을 동적으로 제어하는 능력은 개발의 핵심이다. 플라즈몬-플라즈몬 상호 작용을 사용하는 새로운 접근 방식이 최근 시연되었다. 여기서 벌크 플라즈몬 공명은 빛의 전파를 조작하기 위해 유도되거나 억제된다. 이 접근 방식은 나노 규모의 빛 조작 및 완전한 CMOS 호환 전기 광학 플라즈몬 변조기 개발에 대한 높은 잠재력을 가지고 있음을 보여주었다.
표면 증강 라만 분광법 및 표면 증강 형광과 같은 다른 표면 효과는 귀금속의 표면 플라즈몬에 의해 유도되므로, 이를 이용한 표면 플라스몬 기반 센서가 개발되었다.
표면 제2 고조파 발생에서 제2 고조파 신호는 전기장의 제곱에 비례한다. 표면 플라즈몬으로 인해 전기장이 계면에서 더 강해져 비선형 광학 효과가 발생한다. 이 더 큰 신호는 종종 더 강한 제2 고조파 신호를 생성하는 데 활용된다.
플라즈몬 관련 흡수 및 방출 피크의 파장과 강도는 분자 센서에 사용될 수 있는 분자 흡착에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 우유에서 카제인을 감지하는 프로토타입 장치가 제작되었다. 이 장치는 금층에 의한 빛의 플라즈몬 관련 흡수 변화를 모니터링하는 것을 기반으로 한다.
5. 2. 플라즈몬 기반 회로
표면 플라즈몬 기반 회로는 고성능 데이터 처리 나노 장치에 사용하기 위해 광자 회로의 크기 제한을 극복하는 수단으로 제안되었다. 이러한 나노 장치에서 재료의 플라즈몬 특성을 동적으로 제어하는 능력은 개발의 핵심이다. 플라즈몬-플라즈몬 상호 작용을 사용하는 새로운 접근 방식이 최근 시연되었다. 여기서 벌크 플라즈몬 공명은 빛의 전파를 조작하기 위해 유도되거나 억제된다. 이러한 접근 방식은 나노 규모의 빛 조작 및 칩 규모 광자 회로의 미래 핵심 구성 요소라고 하는 완전한 CMOS 호환 전기 광학 플라즈몬 변조기의 개발에 대한 높은 잠재력을 가지고 있음을 보여주었다.5. 3. 표면 증강 분광법 (Surface-enhanced spectroscopy)
표면 플라스몬의 여기는 표면 플라스몬 공명 (SPR)이라는 실험 기술에 자주 사용된다. SPR에서 표면 플라스몬의 최대 여기는 입사각 또는 파장의 함수로 프리즘 결합기에서 반사된 전력을 모니터링하여 감지된다. 이 기술은 나노미터 두께 변화, 밀도 변동 또는 분자 흡수를 관찰하는 데 사용할 수 있다. 최근 연구에서는 SPR이 타원 편광법으로 결과를 얻지 못한 다층 시스템의 광학 지수를 측정하는 데에도 사용될 수 있음을 보여주었다.표면 증강 라만 분광법 및 표면 증강 형광과 같은 표면 효과는 귀금속의 표면 플라스몬에 의해 유도되므로, 이를 활용한 표면 플라스몬 기반 센서가 개발되었다.
플라즈몬 관련 흡수 및 방출 피크의 파장과 강도는 분자 흡착에 영향을 받으며, 이는 분자 센서에 사용될 수 있다. 예를 들어, 금층에 의한 빛의 플라즈몬 관련 흡수 변화를 모니터링하여 우유에서 카제인을 감지하는 프로토타입 장치가 제작되었다.
5. 4. 비선형 광학 효과
5. 5. 분자 센서
표면 플라즈몬의 여기는 표면 플라즈몬 공명 (SPR)이라는 실험 기술에 자주 사용된다. SPR은 입사각 또는 파장의 함수로 프리즘 결합기에서 반사된 전력을 모니터링하여 표면 플라즈몬의 최대 여기 지점을 감지한다. 이 기술은 나노미터 두께 변화, 밀도 변동, 분자 흡수 등을 관찰하는 데 사용된다. 최근 연구에서는 SPR이 타원 편광법으로 결과를 얻지 못한 다층 시스템의 광학 지수를 측정하는 데에도 사용될 수 있음을 보여주었다.귀금속의 표면 플라즈몬에 의해 유도되는 표면 증강 라만 분광법, 표면 증강 형광과 같은 표면 효과를 활용하여 표면 플라즈몬 기반 센서가 개발되었다. 표면 제2 고조파 발생에서 제2 고조파 신호는 전기장의 제곱에 비례하는데, 표면 플라즈몬으로 인해 전기장이 계면에서 더 강해져 비선형 광학 효과가 발생한다. 이 더 큰 신호는 종종 더 강한 제2 고조파 신호를 생성하는 데 활용된다.
플라즈몬 관련 흡수 및 방출 피크의 파장과 강도는 분자 흡착에 의해 영향을 받으며, 이는 분자 센서에 활용될 수 있다. 예를 들어, 금층에 의한 빛의 플라즈몬 관련 흡수 변화를 모니터링하여 우유에서 카제인을 감지하는 프로토타입 장치가 제작되었다.
참조
[1]
논문
Generation of traveling surface plasmon waves by free-electron impact
[2]
논문
Plasma Losses by Fast Electrons in Thin Films
1957-06
[3]
논문
Plasmonics: optics at the nanoscale
http://daedalus.calt[...]
2011-01-26
[4]
논문
Phys. Rev.
[5]
논문
Phys. Rev.
[6]
논문
Phys. Rev.
[7]
서적
Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings
Springer-Verlag
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