Oberflächenplasmon

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Kollektive Anregungen von freien Elektronen in Metallen zu Plasmaschwingungen gegen die Ionenrümpfe werden in der Festkörperphysik als Plasmonen bezeichnet. Oberflächenplasmonen sind Oberflächenwellen (evaneszente Wellen), bei denen die longitudinalen elektronischen Schwingungen parallel zur Oberfläche eines Metalls angeregt werden. Die resultierende Feldstärke ist im Raum über der metallischen Oberfläche verstärkt.

Anregung

Otto-Anordnung

Kretschmann-Anordnung

Oberflächenplasmonen lassen sich unter bestimmten Bedingungen mit Licht anregen. Auch wenn die Energie der Lichtquanten im Bereich der Energien von Oberflächenplasmonen ist, kann ein einfallender Lichtstrahl normalerweise kein Oberflächenplasmon anregen, weil Oberflächenplasmonen in Metallen eine geringere Phasengeschwindigkeit als die Lichtgeschwindigkeit haben. Daher stimmt der Wellenvektor (Impuls) des Lichts und des Oberflächenplasmons nicht überein; eine Einkopplung kann jedoch nur stattfinden, wenn die Komponenten des Wellenvektors parallel zur Oberfläche gleich sind. Dies kann auf verschiedene Weisen erreicht werden. Gängige Verfahren sind die Prismenkopplung nach Otto^[1] bzw. Kretschmann^[2], bei denen die Unterschiede in der Lichtgeschwindigkeit in zwei Dielektrika ausgenutzt werden, und die Gitterkopplung, bei der ein Vektor des reziproken Gitters zum Wellenvektor addiert wird. Die Anregung von Oberflächenplasmonen durch Licht ist mit geringerer Effizienz auch an lokalen Defekten der Metalloberfläche oder nicht-periodischen Strukturen (Kanten, Liniendefekten) möglich. Die gleichen Methoden erlauben es auch, Licht aus Oberflächenplasmonen auszukoppeln.

Oberflächenplasmonen können auch durch Elektronen angeregt werden; diese können Energie und Impuls an ein Oberflächenplasmon abgeben.

Ausbreitung

Oberflächenplasmonen breiten sich entlang der Metalloberfläche aus, wobei ihre Intensität mit der Ausbreitungslänge exponentiell abnimmt. Für die Dämpfung der Plasmonenausbreitung sind Leitungsverluste im Metall verantwortlich. Bei einer Lichtwellenlänge von 633 nm breiten sich Oberflächenplasmonen auf Gold etwa 9 µm (1/e der Intensität), auf Silber etwa 60 µm weit aus. Durch geeignete Strukturierung der Metalloberfläche kann die Ausbreitungsrichtung von Oberflächenplasmonen beeinflusst werden. Es lassen sich Spiegel, Strahlteiler und Linsen für Oberflächenplasmonen herstellen.

Anwendung

Eine Anwendung ist die Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) in der Biosensorik. Dabei macht man sich zu Nutze, dass die Wellenlänge der Oberflächenplasmonen auf Brechzahländerungen in der unmittelbaren Nähe der Metalloberfläche stark reagiert.

Weiterhin sind Oberflächenplasmonen derzeit Gegenstand bei der Entwicklung von neuen Speichertechnologien^[3], als Nachfolger der DVD oder der Blu-ray Disc oder zur Übertragung optischer Informationen in hochintegrierten Computerchips^[4].

Literatur

• Mark L. Brongersma: Surface plasmon nanophotonics. Springer, Dortrecht 2007, ISBN 978-1-4020-4349-9.
• Franz Aussenegg, Harald Ditlbacher: Plasmonen als Lichttransporter: Nanooptik. In: Physik in unserer Zeit. 37, Nr. 5, 2006, S. 220–226, doi:10.1002/piuz.200601102.

Weblinks

• Winspall – Analyseprogramm für Messungen von Oberflächenplasmonen - Max Planck Institute for Polymer Research (englisch).

Einzelnachweise

1. ↑ A. Otto: Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection. In: Zeitschrift für Physik. Band 216, 1968, S. 398–410, doi:10.1007/BF01391532.
2. ↑ E. Kretschmann: Die Bestimmung optischer Konstanten von Metallen durch Anregung von Oberflächenplasmaschwingungen.. In: Zeitschrift für Physik. Band 241, 1971, S. 313–324, doi:10.1007/BF01395428.
3. ↑ Holger Dambeck: Nano-Goldpartikel-Technik. Monster-DVD fasst 2000 Filme. Spiegel Online, 21. Mai 2009.
4. ↑ Celeste Biever: Plasmonic computer chips move closer. New Scientist, 17. März 2005.