Movatterモバイル変換

[0]ホーム
URL:

انتقل إلى المحتوى
ويكيبيديا
بحث

بلازمون

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
فيزياء المواد المكثفة
طور ·تحول طوري ·نقطة كمومية حرجة
العلماء
يوهانس ديديريك فان دير فالس ·هايك كامرلينغ أونس ·ماكس فون لاوي ·ويليام هنري براغ ·بيتر ديباي ·فليكس بلوخ ·لارس أونساغر ·نيفيل موت ·رودولف بيرلز ·ليف لانداو ·خواكين مازداك لوتينجر ·فيليب أندرسون ·جون فان فليك ·نيفيل موت ·جون هابارد ·ويليام شوكلي ·جون باردين ·ليون كوبر ·جون روبرت شريفر ·بريان جوزيفسن ·لوي نيل ·ليو إساكي ·إيفار جيفيير ·والتر كون ·ليو كادانوف ·Fisher ·كينيث ويلسون ·كلاوس فون كليتزينغ ·جيرد بينيج ·هاينريخ روهرير ·يوهانس بيدنورتز ·كارل مولر ·روبرت لافلين ·هورست شتورمر ·دانيل تسوي ·أليكسيي أليكسييفتش أبريكوسوف ·فيتالي غينزبورغ ·أنطوني ليجت

فيالفيزياء،البلازمون (بالإنجليزية:Plasmon) هوشبه جسيم ينتج عنتكميمالتذبذب البلازمي تماماً مثلالفوتوناتوالفونونات الناتجة عنتكميمالضوءوالاهتزازات الميكانيكية على التوالي (مع العلم بأنالفوتون هوجسيم أولي وليسشبه جسيم)، أي تمثلالبلازمونات التذبذبات الجماعيةلكثافة غاز الإلكترون الحرة (الترددات البصرية على سبيل المثال).[1][2][3] تستطيعالبلازمونات الازدواج معالفوتون لتشكيلشبه جسيم آخر يدعىبولاريتونالبلازما.

الاصل

[عدل]

تم اقتراح البلازمونات لاول مرة في عام 1952 عن طريق العالمانديفيد بينسوديفيد بوم حيث تبين انها تنتج عن الهاملتونينHamiltonian للارتباطات طويلة المدى بين الإلكترون والإلكترون.[4]بما أنالبلازمونات هيتكميملتذبذبات البلازما الكلاسيكية، فإن معظم خصائصها يمكن اشتقاقها مباشرةً منمعادلات ماكسويل.[5]

الشرح

[عدل]
يمكن وصف البلازمونات حسب الميكانيك الكلاسيكي على انهاذبذبة ناتجة عن سحابة الالكترونات نسبةً الىايون موجب فيالمعدن. و لفهم ذبذبة البلازما , لنتخيل مكعب من مادة معدنية موضوع تحت تأثيرمجال كهربائي خارجي بأتجاه اليمين. في هذه الحالة ستتحركالالكترونات بأتجاه اليسار (كشف الأيونات الموجبة في الجانب الأيمن) الى ان يتم الغاء المجال داخل المعدن. اذا الغي المجال الكهربائي ستتحرك الالكترونات الى اليمين بحيث تتنافر مع بعضها وتنجذب الى الايونات الموجبة المتواجدة في الجانب الايمن. هذا يعني انها ستبقى تتذبذب ذهابً و اياباً بتردد يعرفبتردد البلازما الى ان تفقد الالكتروناتالطاقة التي اكتسبتها عن طريقالمقاومة أوالتخميد.البلازمونات هيتكميم لهذا النوع من التذبذب.

دور البلازمونات

[عدل]

تلعب البلازمونات دورا مهما في تحديد الخواص البصرية لاشباه الموصلات والمعادن. الضوء الذي تردده اقل من تردد البلاتزما يحدث لهانعكاس بواسطة المادة لان الالكترونات في المادة تحجب المجال الكهربائي للضوء. بينما الضوء الذي تردده اعلى من تردد البلازما يمتص من قبل المادة لان الكتروناتها لايمكنها الاستجابة السريعه لحجب المجال الكهربائي لهذا الضوء. معظم المواد المعدنية تمتلك تردد بلازما ضمن النطاقفوق البنفسجي ولهذا تبدو لامعة لانها تعكس الضوء المرئي بأكمله, مثال على ذلكالنحاس[6] والفضةوالذهب،[7] التي لها انتقالات إلكترونية ضمن النطاق المرئي.حيث يتم امتصاص طاقات ضوئية معينة (ألوان) ، مما يعطي لونها المميز. فياشباه الموصلات, تردد البلازمونلالكترونات التكافؤ عادة مايكون ضمن نطاق الطيف الفوق البنفسجي البعيد بينما الانتقالات الالكترونية تحدث ضمن النطاقالمرئي من الطيف لهذا يتم امتصاص طاقات ضوئية معينة (ألوان) ، مما يعطي لونها المميز[8][9] وهذا ما يجعلها مواد عاكسة. لقد تبين ايضا ان تردد البلازمونات يمكنه ان يحدث في وسط الاشعة تحت الحمراء من الطيف و الاشعه تحت الحمراء القريبة في حاله كون المادة شبه الموصلة في حالتها النانوية او بدرجه عالية من التشويب.[10][11]

يمكننا استخدامنموذج الالكترون الحر لحساب طاقة البلازمون و كما يلي :

حيث انn{\displaystyle n} تمثل كثافةالكترونات التوصيل ,e{\displaystyle e} هيالشحنه اوليه,m{\displaystyle m} هيكتلة الالكترون ,ϵ0{\displaystyle \epsilon _{0}} تمثلسماحية الفراغ,ℏ{\displaystyle \hbar } يمثلثابت بلانك المخفض ,وωp{\displaystyle \omega _{\rm {p}}} هي تردد البلازمون.

البلازمونات السطحية

[عدل]

البلازمونات السطحية هي البلازمونات التي تتمركز على السطح والتي تتفاعل بشدة مع الضوء منتجة ما يعرفبالبولاريتونات.[12] تحدث البلازمونات السطحية على الواجهة بين المادة التي تمتلك سماحية نسبية موجبة ايثابت العزل (مثل الفراغ , الهواء و الزجاج و غيرها من المواد العازلة الاخرى) و المادة التي تمتلك ثابت عزل جزءه الحقيقي سالب عند تردد محدد للضوء (عادةً ما يكون معدنًا أو أشباه موصلات شديدة التشويب).بالإضافة إلى الإشارة المعاكسة للجزء الحقيقي من السماحية ، يجب أن يكون حجم الجزء الحقيقي من السماحية في منطقة السماحية السلبية عادةً أكبر من حجم السماحية في منطقة السماحية الإيجابية ، وإلا فإن الضوء غير مرتبط بـ السطح (أي أن البلازمونات السطحية غير موجودة) كما هو موضح في كتابهاينز رايثر الشهير.[13] في الأطوال الموجية المرئية من الضوء ، على سبيل المثال الطول الموجي 632.8 نانومتر الذي يوفره ليزر He-Ne ، غالبًا ما تتشكل الواجهات الداعمة للبلازمونات السطحية من معادن مثل الفضة أو الذهب (سماحية الجزء الحقيقي السلبي) الملامسة للعوازل الكهربائية مثل الهواء أو ثاني أكسيد السيليكون. يمكن أن يكون للاختيار الخاص للمواد تأثير كبير على درجة حبس الضوء ومسافة الانتشار بسبب الخسائر. يمكن أن توجد البلازمونات السطحية أيضًا على واجهات أخرى غير الأسطح المسطحة ، مثل الجسيمات ، أو الشرائط المستطيلة ، والأخاديد v ، والأسطوانات ، والهياكل الأخرى. تم فحص العديد من الهياكل لمعرفة قابلية البلازمونات السطحية على حصر الضوء تحت حد الحيود للضوء. كان أحد الهياكل البسيطة التي تم فحصها هو نظام متعدد الطبقات من النحاس والنيكل. ملادينوفيتش وآخرونن. وجد ان ستخدام الطبقات المتعددة مشابه لسلوك المادة البلازمونية.[14] يتم منع أوكسيد النحاس بإضافة طبقات النيكل. و هو مسار سهل لدمج البلازمونات لاستخدام النحاس كمادة بلازمونية حيث يعد الخيار الأكثر شيوعًا للطلاء المعدني جنبًا إلى جنب مع النيكل. تعمل الطبقات المتعددة بمثابة محزز حيود للضوء الساقط. يمكن تحقيق امتصاصية تصل إلى 40 بالمائة من سقوط عمودي للاشعه مع النظام متعدد الطبقات اعتمادًا على نسبة سمك النحاس إلى النيكل. لذلك ، فإن استخدام المعادن الشائعة بالفعل في بنية متعددة الطبقات يثبت أنه حل للتكامل البلازموني.يمكن أن تلعب البلازمونات السطحية دورًا فيمطيافية رامان المُحسَّنة على السطح وفي تفسير الانحرافات في الحيود من حواجز شبكية معدنية (شذوذ وود) ، من بين أشياء أخرى. يستخدم علماء الكيمياء الحيوية رنين البلازمون السطحي لدراسة آليات وحركية الروابط المرتبطة بالمستقبلات (أي ارتباط الركيزة بالإنزيم). يمكن استخدام رنين البلازمون السطحي متعدد المعالملات ليس فقط لقياس التفاعلات الجزيئية ولكن أيضًا لدراسة خصائص الطبقة النانوية أو التغيرات الهيكلية في الجزيئات الممتصة أو طبقات البوليمر أو الجرافين ، على سبيل المثال.يمكن أيضًا ملاحظة البلازمونات السطحية في أطياف انبعاث الأشعة السينية للمعادن. تم اشتقاق علاقة تشتت للبلازمونات السطحية في أطياف انبعاث الأشعة السينية للمعادن (هارش وأجاروال).[15]

قوطيزجاج معشقنافذة الورد ofكاتدرائية نوتردام دو باري (باريس). Some colors were achieved byغروانيs of gold nano-particles.

تم استخدام البلازمونات السطحية مؤخرًا للتحكم في ألوان المواد. يتم ذلك لأن التحكم في شكل وحجم الجسيم يحدد أنواع البلازمونات السطحية التي يمكن أن تقترن بها وتنتشر عبرها. وهذا بدوره يتحكم في تفاعل الضوء مع السطح. تتضح هذه الآثار من خلال الزجاج الملون التاريخي الذي يزين كاتدرائيات العصور الوسطى. يتم إنتاج بعض ألوان الزجاج الملون بواسطة جسيمات نانوية معدنية ذات حجم ثابت تتفاعل مع المجال البصري لإعطاء الزجاج لونًا أحمر نابضًا بالحياة. في العلم الحديث ، تم تصميم هذه التأثيرات لكل من الضوء المرئي وإشعاع الميكروويف. يتم إجراء الكثير من الأبحاث أولاً في نطاق الميكروويف لأنه عند هذا الطول الموجي ، يمكن إنتاج أسطح المواد والعينات ميكانيكيًا لأن الأنماط تميل إلى أن تكون في حدود بضعة سنتيمترات. يتضمن إنتاج تأثيرات مأكل الطحالب ذات النطاق البصري صنع الأسطح التي تحتوي على ميزات <400 نانومتر. هذا أكثر صعوبة بكثير ولم يصبح من الممكن القيام به بأي طريقة موثوقة أو متاحة إلا مؤخرًا.

في الآونة الأخيرة ، أظهر الجرافين أيضًا أنه يستوعب البلازمونات السطحية ، والتي تمت ملاحظتها عبر تقنيات الفحص المجهري البصري بالأشعة تحت الحمراء القريبة من المجال[16][17] والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء.[18] عالجت التطبيقات المحتملة لجرافين plasmonics بشكل أساسي تيراهيرتز إلى ترددات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة ، مثل المُعدِّلات الضوئية وأجهزة الكشف الضوئية وأجهزة الاستشعار الحيوية.[19]

التطبيقات المحتملة

[عدل]
 موضع وشدة قمم طيف الامتصاص و الانبعاث تتأثر بالامتصاص الكيميائي الجزيئي مما يسهل استخدامها ك[متحسسات] جزيئية, مثال على ذلك ، تم تصميم نموذج أولي لجهاز يعمل بكامل طاقته للكشف عن ال[كازين] في الحليب ، عن طريق رصد التغير في  طيف [امتصاص] طبقة الذهب.[20] يمكن استخدام البلازمونات السطحية الموضعية للجسيمات النانوية المعدنية لاستشعار أنواع مختلفة من الجزيئات والبروتينات وما إلى ذلك.

تعتبر البلازمونات وسيلة لنقل المعلومات علىرقائق الكمبيوتر ، لأن البلازمونات يمكن أن تدعم ترددات عالية جدا (تصل الى مدى حوالي 100تيراهيرتز بينما الأسلاك التقليدية تصبح ذات خسائر عالية للغاية في حدود عشراتالغيغاهرتز). ومع ذلك ، لكي تكون الإلكترونيات التي تعمل علر اساس البلازمون عملية ، يجب إنشاء مضخم اساس عمله البلازمون يشبهالترانزستور ، يسمى (بلازمونستورplasmonstor)[21]كما تم اقتراح البلازمونات كوسيلة للطباعة الحجرية عالية الدقة والفحص المجهري بسبب أطوالها الموجية الصغيرة للغاية ؛ شهد كل من هذه التطبيقات عروض توضيحية ناجحة في البيئة المختبرية.أخيرًا ، تتمتع البلازمونات السطحية بقدرة فريدة على حصر الضوء في أبعاد صغيرة جدًا ، مما يمكن أن يتيح العديد من التطبيقات الجديدة.تعتبر البلازمونات السطحية حساسة للغاية لخصائص المواد التي تنتشر عليها. وقد أدى ذلك إلى استخدامها لقياس سمك الطبقات الأحادية على الأغشيةالغروانية ، مثل الفحص والقياس الكمي لأحداث الارتباطبالبروتين. تمتلك شركات مثل Biacore أدوات تجارية تعمل وفقًا لهذه المبادئ. يتم فحص البلازمونات السطحية البصرية بهدف تحسين مواد التجميل بواسطةلوريال وآخرين.others.[22]في عام 2009 ، وجد فريق بحث كوري طريقة لتحسين كفاءة الصمام الثنائي الباعث للضوء العضوي بشكل كبير باستخدام البلازمونات.[23] بالاضافة الى ذلك قام فريق بحث اوربي بقيادةIMEC البدء بالعمل على تطوير كفائة و كلفةالخلايا الشمسية بوساطة دمج هياكل معدنية نانوية (بأستخدام تأثيرات البلازمون) والتي تحسن من امتصاص الضوء في عدة انواع من الخلايا الشمسية مثل السيليكون البلوري (c-Si) ، السليكون III-V عالي الأداء ، السليكون العضوي ، والحساس للصبغة.[24] ومع ذلك ، لكي تعمل الأجهزة الكهروضوئية البلازمية على النحو الأمثل ، فإن الأكاسيد الموصلة الشفافة الرقيقة جدًا ضرورية[24] تم عرض الصور المجسمة بالألوان الكاملة باستخدام plasmonics [25].[25] تم عرض الصور المجسمة بالألوان الكاملة باستخدام البلازمون.[26]

مراجع

[عدل]
  1. ^"LEDs work like butterflies' wings".بي بي سي نيوز. 18 نوفمبر 2005. مؤرشف منالأصل في 2017-11-20. اطلع عليه بتاريخ2010-05-22.
  2. ^S.Zeng؛ وآخرون (2011). "A review on functionalized gold nanoparticles for biosensing applications".Plasmonics. ج. 6 ع. 3: 491–506.DOI:10.1007/s11468-011-9228-1.
  3. ^Jianing Chen, Michela Badioli, Pablo Alonso-González, Sukosin Thongrattanasiri, Florian Huth, Johann Osmond, Marko Spasenović, Alba Centeno, Amaia Pesquera, Philippe Godignon, Amaia Zurutuza Elorza, Nicolas Camara, F. Javier García de Abajo, Rainer Hillenbrand, Frank H. L. Koppens (5 يوليو 2012)."Optical nano-imaging of gate-tunable graphene plasmons".Nature. ج. 487: 77–81.arXiv:1202.4996.Bibcode:2012Natur.487...77C.DOI:10.1038/nature11254.PMID:22722861. مؤرشف منالأصل في 2017-05-16.
  4. ^David Bohm, David Pines (1 نوفمبر 1953)."Coulomb Interactions in a Degenerate Electron Gas".Phys. Rev. A Collective Description of Electron Interactions: III. ج. 92 ع. 3: 609–625.Bibcode:1953PhRv...92..609B.DOI:10.1103/physrev.92.609.S2CID:55594082. مؤرشف منالأصل في 2022-12-21. Cited after:N. J. Shevchik (1974). "Alternative derivation of the Bohm-Pines theory of electron-electron interactions".J. Phys. C: Solid State Phys. ج. 7 ع. 21: 3930–3936.Bibcode:1974JPhC....7.3930S.DOI:10.1088/0022-3719/7/21/013.
  5. ^Jackson, J. D. (1975) [1962]."10.8 Plasma Oscillations".Classical Electrodynamics (ط. 2nd). New York:John Wiley & Sons.ISBN:978-0-471-30932-1.OCLC:535998.
  6. ^Burdick، Glenn (1963). "Energy Band Structure of Copper".فيزيكال ريفيو. ج. 129 ع. 1: 138–150.Bibcode:1963PhRv..129..138B.DOI:10.1103/PhysRev.129.138.
  7. ^S.Zeng؛ وآخرون (2011). "A review on functionalized gold nanoparticles for biosensing applications".Plasmonics. ج. 6 ع. 3: 491–506.DOI:10.1007/s11468-011-9228-1.S2CID:34796473.
  8. ^Kittel، C. (2005).Introduction to Solid State Physics (ط. 8th).John Wiley & Sons. ص. 403, table 2.
  9. ^Böer، K. W. (2002).Survey of Semiconductor Physics (ط. 2nd).John Wiley & Sons. ج. 1. ص. 525.
  10. ^Xin Liu؛ Mark T. Swihart (2014)."Heavily-doped colloidal semiconductor and metal oxide nanocrystals: an emerging new class of plasmonic nanomaterials".Chem. Soc. Rev. ج. 43 ع. 11: 3908–3920.DOI:10.1039/c3cs60417a.PMID:24566528.S2CID:18960914. مؤرشف منالأصل في 2022-12-21.
  11. ^Xiaodong Pi, Christophe Delerue (2013)."Tight-binding calculations of the optical response of optimally P-doped Si nanocrystals: a model for localized surface plasmon resonance"(PDF).Physical Review Letters. ج. 111 ع. 17: 177402.Bibcode:2013PhRvL.111q7402P.DOI:10.1103/PhysRevLett.111.177402.PMID:24206519. مؤرشف منالأصل(PDF) في 2022-12-21.
  12. ^Zeng، Shuwen؛ Yu، Xia؛ Law، Wing-Cheung؛ Zhang، Yating؛ وآخرون (2013)."Size dependence of Au NP-enhanced surface plasmon resonance based on differential phase measurement"(PDF).Sensors and Actuators B: Chemical. ج. 176: 1128–1133.DOI:10.1016/j.snb.2012.09.073. مؤرشف منالأصل(PDF) في 2022-12-21.
  13. ^Raether، Heinz (1988).Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings. Springer. ص. 119.ISBN:978-3540173632.
  14. ^Mladenović، I.؛ Jakšić، Z.؛ Obradov، M.؛ Vuković، S.؛ Isić، G.؛ Tanasković، D.؛ Lamovec، J. (17 أبريل 2018). "Subwavelength nickel-copper multilayers as an alternative plasmonic material".Optical and Quantum Electronics. ج. 50 ع. 5.DOI:10.1007/s11082-018-1467-3.S2CID:125180142.
  15. ^Harsh، O. K؛ Agarwal، B. K (1988). "Surface plasmon dispersion relation in the X-ray emission spectra of a semi-infinite rectangular metal bounded by a plane".Physica B+C. ج. 150 ع. 3: 378–384.Bibcode:1988PhyBC.150..378H.DOI:10.1016/0378-4363(88)90078-2.
  16. ^Jianing Chen, Michela Badioli, Pablo Alonso-González, Sukosin Thongrattanasiri, Florian Huth, Johann Osmond, Marko Spasenović, Alba Centeno, Amaia Pesquera, Philippe Godignon, Amaia Zurutuza Elorza, Nicolas Camara, F. Javier García de Abajo, Rainer Hillenbrand, Frank H. L. Koppens (5 يوليو 2012). "Optical nano-imaging of gate-tunable graphene plasmons".Nature. ج. 487 ع. 7405: 77–81.arXiv:1202.4996.Bibcode:2012Natur.487...77C.DOI:10.1038/nature11254.PMID:22722861.S2CID:4431470.
  17. ^Z. Fei, A. S. Rodin, G. O. Andreev, W. Bao, A. S. McLeod, M. Wagner, L. M. Zhang, Z. Zhao, M. Thiemens, G. Dominguez, M. M. Fogler, A. H. Castro Neto, C. N. Lau, F. Keilmann, D. N. Basov (5 يوليو 2012). "Gate-tuning of graphene plasmons revealed by infrared nano-imaging".Nature. ج. 487 ع. 7405: 82–85.arXiv:1202.4993.Bibcode:2012Natur.487...82F.DOI:10.1038/nature11253.PMID:22722866.S2CID:4348703.
  18. ^Hugen Yan, Tony Low, Wenjuan Zhu, Yanqing Wu, Marcus Freitag, Xuesong Li, Francisco Guinea, Phaedon Avouris, Fengnian Xia (2013). "Damping pathways of mid-infrared plasmons in graphene nanostructures".Nature Photonics. ج. 7 ع. 5: 394–399.arXiv:1209.1984.Bibcode:2013NaPho...7..394Y.DOI:10.1038/nphoton.2013.57.S2CID:119225015.
  19. ^Tony Low, Phaedon Avouris (2014). "Graphene Plasmonics for Terahertz to Mid-Infrared Applications".ACS Nano. ج. 8 ع. 2: 1086–1101.arXiv:1403.2799.Bibcode:2014arXiv1403.2799L.DOI:10.1021/nn406627u.PMID:24484181.S2CID:8151572.
  20. ^Heip، H. M.؛ وآخرون (2007)."A localized surface plasmon resonance based immunosensor for the detection of casein in milk".Science and Technology of Advanced Materials. ج. 8 ع. 4: 331–338.Bibcode:2007STAdM...8..331M.DOI:10.1016/j.stam.2006.12.010.
  21. ^Lewotsky، Kristin (2007). "The Promise of Plasmonics".SPIE Professional.DOI:10.1117/2.4200707.07.
  22. ^"The L'Oréal Art & Science of Color Prize – 7th Prize Winners". مؤرشف منالأصل في 2023-01-04.
  23. ^"Prof. Choi Unveils Method to Improve Emission Efficiency of OLED".المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا. 9 يوليو 2009. مؤرشف منالأصل في 2011-07-18.
  24. ^"EU partners eye metallic nanostructures for solar cells".ElectroIQ. 30 مارس 2010. مؤرشف منالأصل في 2011-03-08.
  25. ^Gwamuri وآخرون (2015)."Limitations of ultra-thin transparent conducting oxides for integration into plasmonic-enhanced thin-film solar photovoltaic devices".Materials for Renewable and Sustainable Energy. ج. 4 ع. 12.DOI:10.1007/s40243-015-0055-8. مؤرشف منالأصل في 2023-01-04.
  26. ^Kawata، Satoshi."New technique lights up the creation of holograms". Phys.org. مؤرشف منالأصل في 2022-07-11. اطلع عليه بتاريخ2013-09-24.
أولية
فرميونات
كواركات
لبتونات
بوزونات
عيارية
سلمية
حقول شبحية
افتراضية
نظائر فائقة
غوجينوات
أخرى
أخرى
مركبة
هادرونات
باريونات
ميزونات
هادرونات شاذة
أخرى
افتراضية
باريونات
ميزونات
أخرى
أشباه الجسيمات
قوائم
متعلق
حالات المادة
ظواهر الطور
الأطوار الإلكترونية
الظواهر الإلكترونية
الأطوار المغناطيسية
أشباه الجسيمات
المادة اللينة
العلماء
وطنية
أخرى
مجلوبة من «https://ar.wikipedia.org/w/index.php?title=بلازمون&oldid=69783565»
تصنيفات:
تصنيفات مخفية:
[8]ページ先頭
©2009-2025 Movatter.jp