Surface Plasmon trên bề mặt gồ ghề

Báo cáo công nghệ NanoSurface Plasmon trên bề mặt gồ ghề Trong chương này, sự ảnh hưởng của độ gồ ghề nhỏ 5 10 A     lên SPs đo được bằng phương pháp ATR, đã được trình bày trong

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO CÔNG NGHỆ NANO

Đề tài:

Surface Plasmon trên bề mặt gồ ghề

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Đào Ngọc Chiến

Sinh viên thực hiện:

Mục Lục

Surface Plasmon trên bề mặt gồ ghề 2

3.1 Phát xạ ánh sáng cộng hưởng quan sát được với thiết bị ATR 2

3.2 Phép đo độ gồ ghề 4

3.2.1 Các chú thích về mặt lý thuyết 4

3.2.2 Xác định tham số độ gồ ghề 11

3.3 Hướng tán xạ 15

3.4 Độ gồ ghề và mức độ gồ ghề của bề mặt 17

3.4.1 Độ gồ ghề bền mặt 17

3.4.2 Mức độ gồ ghề và bức xạ SPs 19

3.5 Đo độ gồ ghề bề mặt bằng ống kính hiển vi điện tử 21

3.6 Độ gồ ghề bề mặt trên mặt phẳng dẫn sóng 22

Tài liệu tham khảo 25

Báo cáo công nghệ Nano

Surface Plasmon trên bề mặt gồ ghề

Trong chương này, sự ảnh hưởng của độ gồ ghề nhỏ ( 5 10 A



   ) lên SPs đo được bằng phương pháp ATR, đã được trình bày trong các phần trước Kết quả đáng lưu ý là phát xạ cộng hưởng ánh sáng sinh ra do trong khớp nối SP-photon có sự gồ ghề Sự phân bố góc phát ra các tia sáng cho phép ta xác định các thông số mặt gồ ghề bằng cách sử dụng phương pháp xấp xỉ tuyến tính của lý thuyết tán xạ ánh sáng

3.1 Phát xạ ánh sáng cộng hưởng quan sát được với thiết bị ATR

Nhìn vào bề mặt của tấm phim bạc mỏng đặt ở phía dưới đáy của lăng kính hoặc nửa ống hình trụ thủy tinh được đặt tại các vị trí như trong hình 3.1, ta sẽ thấy được sự phát xạ ánh sáng cường độ mạnh nếu hệ thức tán xạ được thõa mãn và ánh sáng phản

xạ trở lại có cường độ ở mức tối thiểu, thể hiện trên hình 3.1 [2.8]

Những thí nghiệm này đã chứng minh được rằng:

a) Sự kích thích của SPs trên tấm phim kim loại mỏng khi tiếp xúc trực tiếp với lăng kính thủy tinh tạo ra ATR ở mức tối thiểu

b) SPs lan truyền trên trên bề mặt gồ ghề sẽ bức xạ ánh sáng vào không gian theo hình Lorentzian do khớp nối SP-photon

c) Cường độ ánh sáng mạnh trong trường hợp cộng hưởng cho ta thấy một trường điện từ mạnh trong lớp tiếp giáp không khí/kim loại (gọi là trường tăng cường)

Trong hình 3.2 bức xạ tăng cường được biểu hiện: nó sẽ biểu thị cường độ cực đại tại các sóng phản xạ khác nhau theo hệ thức tán xạ Các con số trên các đường cong trung bình: nsin0  0 sin0  1'/ (11') cho bởi giao điểm của hệ thức tán xạ và đường thẳng trong biểu đồ (, k) với độ dốc ( / ) sinc n 0, xem hình 2.7 Thay đổi 0

sin

n  bằng cách chọn giá trị  khác tại 0 const, giá trị cực đại quan sát được ở hình 3.2a Trong hình 3.2b một thí nghiệm tương ứng được thực hiện với  consttại các góc tới khác nhau 0 [2.9]

Thí nghiệm này chứng minh sự ảnh hưởng rõ rệt đầu tiên của bề mặt gồ ghề lên SPs là sự phát xạ của ánh sáng Các SPs không bức xạ trở nên bức xạ Việc tăng cường các bức xạ này được thể hiện bằng số lượng các nhân tố 2

012

t trong (3.1)

Hình 3.1 Nếu SPs kích thích đạt tối đa tại góc cộng hưởng 0, cường độ phản xạ đi qua mức tổi thiểu (trên cùng bên phải), đồng thời phát xạ ánh sáng cực đại tại khớp nối của SP với các photon thông qua bề mặt gồ ghề (dưới cùng bên trái) Cả hai phương pháp cho phép thí nghiệm chi tiết với SPs  có nghĩa là hướng quan sát cố định Từ [2.4]

Báo cáo công nghệ Nano

Hình 3.2 (a) phát xạ ánh sáng của bề mặt gồ ghề, 5 A



 do khớp nối giữa photons với SPs, xem hình 3.1 (phía dưới bên trái) Kích thích cộng hưởng của SP tạo ra sự tăng cường 2

012

P

t của trường điện từ trong bề mặt phim, cường độ trường điện từ này mạnh hơn với các vước sóng dài hơn Cường độ phát ra được vẽ ở (a) là hàm của bước sóng ánh sáng đến  với tỷ lệ các góc giữ cố định Sự kích thích cực đại tại các bước sóng khác nhau chứng tỏ việc tăng cường trường bức xạ và phản ánh hệ thức tán xạ của SP Lưu ý thang đó logarit ! một ảnh hưởng phụ có thể thấy: tại 3200 A



 

bạc có độ trong suốt cực đại, trường bức xạ cũng xuất hiện trong các phép đo với sóng phân cực thẳng ( -) và nó đến từ ánh sáng tán xạ trên mặt phân cách của bạc/thạch anh Từ [2.8] (b) Sự phát xạ ánh sáng tương tự, nó là hàm của của góc tới

sáng phát ra dI trên góc khối d, với I là cường độ của ánh sáng phân cực p, được đưa ra ban đầu hoặc lấy xấp xỉ tuyến tính với ≪  (pha thay đổi theo hướng z) và

≪  bởi biểu thức:

012 0

t hệ số Fresnel của hai bề mặt chung thạch anh/kim loại/không khí (2.25); s( k x)2 là biến đổi Fourier của hàm tương quan (2.47), và 2

( )

W  là các hàm lưỡng cực Hai hàm về sau đều xác định sự phân bố góc của bức xạ phát ra Hàm lưỡng cực W2 thể hiện đặc tính bức xạ của cường độ tín hiệu phát ra duy nhất, trong khi s( k x)2 mô tả mối tương quan của nó với các lưỡng cực xung

quanh và các khớp nối của các photon có sự gồ ghề, thấy trong mục 2.9 Thuật ngữ

Hàm W( ) 2 có thể được chia thành ba thành phần Wx, Wy, và Wz, nó có thể được diễn tả như sau: Một trong những phương pháp tiếp cận lý thuyết để có được (3.1) là bắt đầu với mô hình của các dòng phân cực gây ra bởi các trường điện từ Bây giờ có ba thành phần x, y, z, mỗi thành phần tác động như một lưỡng cực Hertz trên

bề mặt kim loại Ba thành phần của lưỡng cực Hertz bây giờ có thể được liên kết với

ba thành phần của W( ) Vị trí tương đối của mặt phẳng quan sát và mặt phẳng tới được đo bởi góc , xác định thành phần đến trong trạng thái hoạt động

Phương pháp thông thường mà ta thực hiện là quan sát tại  = 0, tức là hai mặt

phẳng (1,2) song song, xem hình 3.3 Hàm lưỡng cực với  = 0 được cho bởi [3.2,3]:

2 1/ 2

Báo cáo công nghệ Nano

Hình 3.3 Các thành phần của thí nghiệm này được sắp xếp như hình vẽ sao cho mặt

phẳng tới (1) và mặt phẳng quan sát (2) nghiêng một góc  (1) 0: Góc tới, : góc quan sát; p cho biết hướng phân cực Nếu vector phân cực p nằm vuông góc (song song) với mặt phẳng quan sát, nó được gọi là sự phân cực s (phân cực p) Hai mũi tên ngắn tại gốc biểu thị thành phần x và z của bức xạ lưỡng cực Theo [2.4]

1

1

2 1

1

( , )

1 1

tuyến (x) và thành phần pháp tuyến của lưỡng cực (z) Hiện tượng này có thể được nhìn thấy trực tiếp từ (3.3): nếu thuật ngữ 2

Hình 3.4 Tính toán hàm lưỡng cực W( ) 2 với  = 0, = 5500

0

A, Bạc, max = -55°,

không có sự thay đổi đáng kể Sự tán xạ ngược là yếu tố đáng chú ý, là kết quả của

sự can thiệp của ánh sáng phát ra từ thành phần x và z của lưỡng cực Hàm số độ gồ ghề s( k)2, xem (3.1) có sự thay đổi ít hơn hoặc nhiều hơn, xem hình 3.5 Từ [2.4]

Báo cáo công nghệ Nano

Hình 3.5 Phân bố cường độ từ một bề mặt gồ ghề tại = 0 0 và  là góc tới và góc quan sát Ánh sáng đến là ánh sáng phân cực p Phân bố góc của ánh sáng p (

= 90°) được xác định chủ yếu bởi độ gồ ghề của bề mặt Ánh sáng yếu s (= 0°) bị cản trở việc quan sát trong xấp xỉ tuyến tính Từ [3.2]

 Ghi chú thêm

Một điều thú vị khi xem xét trường hợp  = 90, qua mặt phẳng 1, 2 xem hình 3.3 Từ hình dạng này cho phép kiểm soát được các khái niệm lý thuyết Tính toán phụ thuộc vào  = 0 cho độ gồ ghề với  ≫ 1

Để các biểu thức chính xác hơn xem [3.2] Độ gồ ghề thực tế không ảnh hưởng

do k x thay đổi rất ít giữa  = +90 và -90, xem (2.50) Chuyển hướng quan sát xung quanh trục x trong mặt phẳng quan sát (y, z) với các thành phần phân tích vuông góc với mặt phẳng quan sát (ánh sáng "phân cực s "), ta thấy các thành phần lưỡng cực của x và sự phân bố  = 0 trong Hình 3.6 Trong trường hợp  = 90, phân cực trong mặt phẳng quan sát và sự phân bố của thành phần y của lưỡng cực Cả hai sự phân bố

 = 0° và  = 90° được xác định với các biểu thức tính toán [3.2] Tại  = 90,

cường độ nhỏ còn lại cho thấy sai lệch của lý thuyết cũng có sự ảnh hưởng xem Hình 3.12

Hình 3.6 Cường độ phân bố từ một bề mặt gồ ghề tại  = 90, hướng quan sát xung quanh trục x, xem Hình 3.3, với các bộ phận phân tích vuông góc ( = 0°) và song song với mặt phẳng quan sát ( = 90°)  là góc quan sát Bạc, dày 700

Báo cáo công nghệ Nano

Hình 3.7 Bố trí thí nghiệm để đo lường để phân chia góc

(V) và phát họa địa đồ trong (S) Hiệu chuẩn thực hiện bởi điểm qua MG Sự bố trí này được cải thiện [3.4] bởi sự thay thế giác kế bằng 2 bảng quay riêng biệt có đường kính  60cm, hệ thống P được gắn kết bên trong bảng, trong khi các bộ phát hiện được gắn ở bên ngoài, cả hai đều sử dụng động cơ bước Toàn khối được gắn vào trong một hộp, trong này chùm ánh sáng xuyên qua một màng chắn nhỏ, điều này có thể giảm nhiễu tín hiệu Điều khiển chùm điện tử từ bên ngoài Tùy thuộc mặt phẳng tới (0) thì ta quan sát vào các mặt phẳng khác nhau, hai vòng được đặt nghiêng Chúng cũng có thể được thay thế bằng ca.7,5cm để đo lượng ánh sáng phát ra từ bề mặt, ví dụ bề mặt của hệ thống ống dẫn sóng

Độ chính xác điểm đặt 0 với  0 = 0.010 (tuyệt đối), thông số  liên quan tới

độ chính xác của biên và toàn bộ lượng phát xạ được xác định (0.020

) có   = 0.040,

sự phân kỳ của chùm laser khoảng 0.010 và của đèn xenon đơn sắc là 0.050

Với các độ chính xác có được ở trên, điều này cho chúng ta nhận thấy sau khi sự bay hơi, những cộng hưởng nhỏ nhất (hoặc lớn nhất tùy theo cách được dùng) thay thế bới những góc nhỏ hơn và chiều rộng chỉ còn một nửa trong một giờ đồng hồ để

có được xấp xỉ 1% Điều này nhận thấy dễ dàng hơn khi dùng bạc để đo lường trong không khí [2.9] cũng như là film bạc được chuẩn bị và đo lường trong ống chân

không, khoảng 10-7 Torr [3.5] và 3-4 x 10-8 Torr [3.6] mà không có sự tiếp xúc với không khí Rõ ràng sự kết tinh sẽ đến sau một giờ đầu tiên

Sự đo lường được thực hiện tổng thể sau khoảng một giờ trôi qua và dữ liệu SP vẫn không thay đổi Sau một ngày mẫu này phát xạ ra không khí thay đổi do sự ô nhiễm, những dữ liệu này trở nên không sử dụng được nữa

Độ nhạy của phương pháp này được cải thiện đáng kể, do có mối liên quan đến 4x10-4 deg được phát hiện ở trong buồng ống chân không với 3-4 x 10-8 Torr [3.6] Quá trình hấp thụ được diễn ra , ví dụ như hấp thụ O2 khoảng 2% của trên bề mặt film bạc được phát hiện Mức độ tán xạ lớn nhất cho phép quan sát sự thay đổi trên bề mặt gồ ghề Chi tiết xem ở [3.6]

Hầu hết những thí nghiệm trên SPs thực hiện với bạc, vì bạc có những đặc điểm thuận lợi như hạn chế được các chât hóa học với nồng độ cao Tính quang học phù hợp từ ’’

vùng nhìn thấy nhỏ,…ví dụ so sánh với vàng, vì thế mà SPs cũng nhỏ Tại bước sóng = 6000

o

) và bề mặt của plasmon (3.60.02 hoặc  = 3450A

o

) gần hơn, bởi vì cấu trúc bạc có thể cho chấp nhận quang phổ của laser thông thường Cuối cùng, kim loại bạc cũng dễ để có thể dát mỏng khoảng 102 A

o

bằng phương pháp bốc hơi

3.2.2 Xác định tham số độ gồ ghề

Cấu hình =0 là thông số đặc biệt bởi nó cho phép chúng ta đo lường hàm số độ

gồ ghề |s(kx)|2 sử dụng (3.1) Giá trị P() = (1/I0)dI/d đã được đo, và thừa số 012p 2

t

cũng như là |W()|2 được tính toán với 1(w) có được từ sắp xếp ATR tối thiểu của

bề mặt bạc, một thông có có được |s(kx)|2, đồ thị ln |s(kx)|2 là một hàm của (kx)2

có thể được mô tả bởi đồ thị tuyến tính kx >10-3 1

A

o

 bởi tương quan hàm số Gauss, xem hình 3.8

Báo cáo công nghệ Nano

Hình 3.8 Hàm số độ gồ ghề quan sát được |s(k x )| 2 là một hàm của (k x ) 2 cho film bạc, có bề dày là 550

Độ dốc  và ngoại suy tuyến tính với kx = 0 là  Giá trị của tham số độ gồ ghề có được với phương pháp này được lấy từ trong bảng 3.1 [3.12] Các tham số này được đo trong miền k z cho bởi bảng 3.1

Tán xạ ngược mạnh tại kx <1x10-3A-1, trong đó cho thấy cường độ khác nhau với các chất nền đáng lưu ý Miền k z biểu thị thành phần gồ ghề của của bước sóng

dài = 2/kx với số dư là 1[3.1] Điều này lý giải tại sao một phần của các tấm thạch anh được đánh bóng, có nhiệm vụ như một chất nền được tạo ra trong quá trình hình thành Và điều cần quan tâm là tán xạ dư thừa tại giá trị kx mức thấp này cũng được thấy ở bề mặt Zerodur xem hình 5.10b Giá trị độ gợn tại 0

0

  là đặc tính của chất nền, trong khi phần tuyến tính của hình 3.8 hoặc chủ yếu búp sóng ngược cho thấy các thông tin về độ gồ ghề của tấm phim bạc

Giải thích này được khảo sát bằng 2 thí nghiệm sau:

a) Nếu chất nền tấm thạch anh được thay thế bằng “ supermooth “ thạch anh, thì tán xạ giảm mạnh, nhìn bảng 3.2 Chứng minh rằng chất lượng đo ở mức chất nhận được

b) Nếu tấm film kim loại làm bằng chất thô như CaF 2 , MgF 2 , … thì tán xạ mặt trước cũng giảm đáng kể so với ở mặt sau So sánh hình 4.5 và 3.8 Do vậy một phần tuyến tính ln |s(k x )| 2 được mở rộng và độ chính xác của ( , ) cũng được tăng lên

Thí nhiệm cùng loại trong điều kiện so sánh đã được thực hiện bởi Braundmeier

và Hall [3.13] Kết quả thực nghiệm cơ bản phù hợp với hiện tượng quan sát, được

mô tả: Sự xuất hiện của một búp sóng trước và một búp sóng sau mạnh Sau tất cả những gì được trình bày, kết cấu bề mặt thạch anh có ảnh hưởng lớn đến cường độ của búp sóng phía trước, do đó, phân bố góc có thể thay đổi Đánh giá phân bố cường

độ góc để có được các thông số độ gồ ghề đã không được thực hiện kể từ khi giải

Báo cáo công nghệ Nano

Tương tự, đo độ gồ ghề của màng Cu bay hơi đã được công bố [3.15] Các tác giả có thể không đáng tin cậy khi hàm  2

x

s k được đưa ra từ dữ liệu quan sát thấy ở các tấm phim Tuy nhiên tính toán giới hạn dưới ζ của phim Cu 500Å trên thạch anh: ζ>4.4 Å và Cu trên mica: ζ>5.8Å Trong thí nghiệm với phim nhôm dày 340Å, sử dụng thiết bị ATR cho thế hệ sóng hài bậc 2 (xem hình 2.30), giá trị độ gồ ghề được xác định từ ánh sáng tán xạ 2ω Giá trị thu được là: ζ=25Å và ζ=1390Å[3.16]

Những thí nghiệm này được thực hiện trên thạch anh/kim loại/không khí, hình 2.8 Tán xạ đo trong thạch anh/ không khí/ kim loại kém thuận lợi để xử lý, cũng cho ζ~5Å tại phim bạc mỏng[3.11]

Ta phải nhớ rằng các thí nghiệm với tán xạ ánh sáng cho các giá trị X-quang hiệu năng của các tham số độ gồ ghề chỉ trong miền giới hạn Δkx đưa ra bởi các khu vực quét θ, đó là khoảng 2 2 /  , trong miền ánh sáng nhìn thấy 3 1

  Nó là câu hỏi mở với miền

Δkx có thể mô tả bằng một hàm Gauss và 2 tham số tương tự, để có được thông tin này, các phép đo phải được thực hiện với các bước sóng khác nhau trên cùng một mẫu

Trong hồ sơ về thống kê bề mặt gồ ghề, trong trường hợp một màng kim loại mỏng được bốc hơi, do sự sắp xếp của các tinh thể có hình dạng bên ngoài và đường kính khác nhau Có thể kết luận từ kết quả thảo luận trong chương này, sự sắp xếp như vậy có thể được mô tả trong khu vực của ánh sáng nhìn thấy bởi một hàm tương quan Gauss

Page 15

3.3 Hướng tán xạ

Trên bề mặt gồ ghề, các SP nằm rải rác trên bề mặt, ngoài sự chỉ đạo của kx mà

không thay đổi giá trị của nó gọi là “tán xạ định hướng”, hình 3.9

Với k  k x Các plasmon thu được các trị khác nhau khi  k 2k x sin / 2 từ phổ độ

gồ ghề và góc lệch  Các SP lệch lan truyền trên bề mặt kim loại và phát ra ánh sáng

dưới góc độ phản xạ vào mặt sau của tấm kim loại, hình 3.10, quá trình đã được mô tả

trong [3.10,17] Bằng cách này vẫn là tương tác bậc đầu tiên Góc  nằm trong

khoảng từ 0 đến 180, do đó, một vòng tròn ánh sáng được tạo ra có thể chụp ảnh

được Xem hình 3.11

Mật độ theo vòng tròn này tỷ lệ thuận với hàm độ gồ ghề  2

s k và do đó cho phép dẫn xuất các thông số độ gồ ghề δ và ζ [3.10] Kết quả của đánh giá này là của

một màng bạc dày 500Å được đưa ra trong bảng 3.1 với δ~6Å và ζ~1400Å phù hợp

với kết quả thu được từ các quan sat ánh sáng phân tán vào không khí

Kết quả bức xạ phân tán ngược trong cạnh o có được từ quá trình sau đây:

Trường thâm nhập vào màng bạc và kích thích các trường cộng hưởng ở bề mặt kim

loại- không khí Trường thâm nhập này quay trở lại thông qua màng kim loại và được