प्लास्मोन: Difference between revisions

Latest revision as of 14:48, 23 May 2023

भौतिकी में, प्लास्मोन प्लाज्मा दोलन की मात्रा है। जिस तरह प्रकाश (एक ऑप्टिकल दोलन) में फोटॉन होते हैं, उसी तरह प्लाज्मा दोलन में प्लास्मोंस होते हैं। प्लास्मोन को क्षुद्र कण के रूप में माना जा सकता है क्योंकि यह प्लाज्मा दोलनों के परिमाणीकरण से उत्पन्न होता है ठीक उसी तरह जैसे फोनन यांत्रिक कंपन के परिमाणीकरण होते हैं। इस प्रकार, प्लास्मोस मुक्त इलेक्ट्रॉन मॉडल घनत्व के सामूहिक (एक असतत संख्या) दोलन हैं। उदाहरण के लिए ऑप्टिकल आवृत्ति पर प्लास्मोन एक प्लास्मोन पोलरिटोन नामक एक अन्य क्षुद्र कण बनाने के लिए एक फोटॉन के साथ युग्मन (भौतिकी) कर सकते हैं।

व्युत्पत्ति

प्लास्मोन को प्रारंभ में 1952 में डेविड पाइंस और डेविड बोहम द्वारा प्रस्तावित किया गया था^[1] और लंबी दूरी के इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन सहसंबंधों के लिए हैमिल्टनियन (क्वांटम यांत्रिकी) से उत्पन्न होने के लिए दिखाया गया था।^[2] चूँकि प्लास्मोंस मौलिक प्लाज्मा दोलनों का परिमाणीकरण हैं, इसलिए उनके अधिकांश गुण सीधे मैक्सवेल के समीकरणों से प्राप्त किए जा सकते हैं।^[3]

स्पष्टीकरण

धातु में निश्चित सकारात्मक आयन के संबंध में प्लास्मोन्स को मौलिक चित्र में इलेक्ट्रॉन घनत्व के दोलन के रूप में वर्णित किया जा सकता है। प्लाज्मा दोलन की कल्पना करने के लिए दाईं ओर इंगित करते हुए बाहरी विद्युत क्षेत्र में रखे धातु के घन की कल्पना करें। जब तक वे धातु के अंदर के क्षेत्र को समाप्त नहीं कर देते तब तक इलेक्ट्रॉन बाईं ओर (दाईं ओर सकारात्मक आयनों को उजागर करते हुए) चले जाएंगे। यदि विद्युत क्षेत्र को हटा दिया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन दाहिनी ओर चले जाते हैं एक दूसरे से पीछे हटते हैं और सकारात्मक आयनों को आकर्षित करते हैं जो दाहिनी ओर खाली छोड़ दिए जाते हैं। वे प्लाज्मा आवृत्ति पर आगे और पीछे दोलन करते हैं जब तक कि ऊर्जा किसी प्रकार के विद्युत प्रतिरोध या डंपिंग अनुपात में खो जाती है। प्लाज्मोंस इस तरह के दोलन का परिमाणीकरण (भौतिकी) हैं।

भूमिका

धातुओं और अर्धचालकों के ऑप्टिकल गुणों में प्लास्मोन्स बहुत बड़ी भूमिका निभाते हैं। प्लाज्मा आवृत्ति के नीचे प्रकाश की आवृत्ति एक पदार्थ द्वारा परावर्तन (भौतिकी) है क्योंकि पदार्थ विद्युत क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन प्रकाश के विद्युत क्षेत्र की स्क्रीनिंग करते हैं। प्लाज्मा आवृत्ति के ऊपर आवृत्तियों का प्रकाश पदार्थ द्वारा प्रेषित होता है क्योंकि पदार्थ में इलेक्ट्रॉन इसे स्क्रीन करने के लिए पर्याप्त तेज़ी से प्रतिक्रिया नहीं दे सकते हैं। अधिकांश धातुओं में, प्लाज्मा आवृत्ति पराबैंगनी में होती है, जिससे वे दृश्यमान सीमा में चमकदार (परावर्तक) हो जाते हैं। कुछ धातुएँ, जैसे ताँबा^[4] और सोना,^[5] दृश्यमान सीमा में इलेक्ट्रॉनिक इंटरबैंड ट्रांज़िशन होते हैं, जिससे विशिष्ट प्रकाश ऊर्जा (रंग) अवशोषित होती हैं, जिससे उनका अलग रंग निकलता है। अर्धचालक में, संयोजी बंध प्लास्मोन आवृत्ति सामान्यतः गहरे पराबैंगनी में होती है, जबकि उनके इलेक्ट्रॉनिक इंटरबैंड संक्रमण दृश्यमान सीमा में होते हैं, जिससे विशिष्ट प्रकाश ऊर्जा (रंग) अवशोषित हो जाती हैं, जिससे उनका अलग रंग निकलता है^[6]^[7] इसलिए वे चिंतनशील हैं। यह दिखाया गया है कि प्लास्मोन आवृत्ति मध्य-अवरक्त और निकट-अवरक्त क्षेत्र में हो सकती है जब अर्धचालक भारी डोपिंग वाले नैनोकणों के रूप में होते हैं।^[8]^[9]

प्लास्मोन ऊर्जा का अनुमान अधिकांशतः मुक्त इलेक्ट्रॉन मॉडल में लगाया जा सकता है

$E_{\rm {p}}=$ $\hbar$ ${\sqrt {\frac {ne^{2}}{m\epsilon _{0}}}}=$ $\hbar$ $\omega _{\rm {p}},$

जहाँ

n

चालन इलेक्ट्रॉन घनत्व है,

e

प्रारंभिक आवेश है,

m

इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान है,

\epsilon _{0}

मुक्त स्थान की पारगम्यता,

\hbar

घटी हुई प्लैंक स्थिरांक और

\omega _{\rm {p}},

आवृत्ति है।

सतह plasmons

सरफेस प्लास्मोन वे प्लास्मोन्स होते हैं जो सतहों तक ही सीमित होते हैं और जो प्रकाश के साथ दृढ़ता से परस्पर क्रिया करते हैं जिसके परिणामस्वरूप एक पोलरिटोन होता है।^[10] वे अपने सापेक्ष पारगम्यता के सकारात्मक वास्तविक भाग को प्रदर्शित करने वाली पदार्थ के इंटरफ़ेस पर होते हैं, अर्थात पारद्युतिक स्थिरांक, (जैसे वैक्यूम, वायु, कांच और अन्य अचालक) और एक पदार्थ जिसका पारगम्यता का वास्तविक भाग प्रकाश की दी गई आवृत्ति पर ऋणात्मक होता है, सामान्यतः एक धातु या अत्यधिक अपमिश्रित अर्धचालक परमिटिटिविटी के वास्तविक भाग के विपरीत संकेत के अतिरिक्त , नेगेटिव परमिटिटिविटी क्षेत्र में परमिटिटिविटी के वास्तविक भाग का परिमाण सामान्यतः सकारात्मक परमिटिटिविटी क्षेत्र में परमिटिटिविटी के परिमाण से बड़ा होना चाहिए, अन्यथा प्रकाश बाध्य नहीं है सतह (अर्थात् सतह समतल उपस्थित नहीं है) जैसा कि हेंज रायदर की प्रसिद्ध पुस्तक में दिखाया गया है।^[11] प्रकाश की दृश्यमान तरंग दैर्ध्य पर, उदा। He-Ne लेज़र द्वारा प्रदान किया गया 632.8 nm वेवलेंथ, सतह प्लास्मों का समर्थन करने वाले इंटरफेस अधिकांशतः चांदी या सोने (नकारात्मक वास्तविक भाग परमिटिटिविटी) जैसी धातुओं द्वारा हवा या सिलिकॉन डाइऑक्साइड जैसे डाइइलेक्ट्रिक्स के संपर्क में बनते हैं। पदार्थ की विशेष पसंद कि हानि के कारण प्रकाश बंधन और प्रसार दूरी की डिग्री पर भारी प्रभाव पड़ सकता है। सरफेस प्लास्मोंस फ्लैट सतहों के अतिरिक्त अन्य इंटरफेस पर भी उपस्थित हो सकते हैं, जैसे कि कण, या आयताकार स्ट्रिप्स, वी-ग्रूव, सिलेंडर और अन्य संरचनाएं प्रकाश की विवर्तन सीमा के नीचे प्रकाश को सीमित करने के लिए सतह प्लास्मों की क्षमता के कारण कई संरचनाओं की जांच की गई है। एक साधारण संरचना जिसकी जांच की गई थी वह तांबे और निकल की एक बहुपरत प्रणाली थी। म्लाडेनोविच एट अल मल्टीलेयर्स के उपयोग की सूची करें जैसे कि इसकी एक प्लास्मोनिक पदार्थ ^[12] तांबे की परतों के ऑक्सीकरण को निकल की परतों को जोड़ने से रोका जाता है। तांबे को प्लास्मोनिक पदार्थ के रूप में उपयोग करने के लिए प्लास्मोनिक्स के एकीकरण का यह एक आसान विधि है क्योंकि यह निकल के साथ धातु चढ़ाना के लिए सबसे समान्य विकल्प है। बहुपरतें आपतित प्रकाश के लिए विवर्तक कर्कश का काम करती हैं। तांबे से निकल की मोटाई के अनुपात के आधार पर बहुपरत प्रणाली के साथ सामान्य घटना में 40 प्रतिशत तक संचरण प्राप्त किया जा सकता है। इसलिए, बहुपरत संरचना में पहले से ही लोकप्रिय धातुओं का उपयोग प्लास्मोनिक एकीकरण के लिए समाधान सिद्ध होता है।

सरफेस प्लास्मॉन सतह-संवर्धित रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी में और धातु विवर्तन कर्कश से विवर्तन में विसंगतियों की व्याख्या करने में भूमिका निभा सकते हैं (रॉबर्ट डब्ल्यू. वुड वुड्स एनोमली) अन्य बातों के अतिरिक्त सतह प्लासमॉन अनुनाद का उपयोग बायोकेमीज्ञानी द्वारा रिसेप्टर्स (जिससे एक एंजाइम के लिए एक सब्सट्रेट बाइंडिंग) को बांधने वाले लिगैंड्स के तंत्र और कैनेटीक्स का अध्ययन करने के लिए किया जाता है। बहु-पैरामीट्रिक सतह प्लास्मोन अनुनाद का उपयोग न केवल आणविक इंटरैक्शन को मापने के लिए किया जा सकता है किन्तु उदाहरण के लिए नैनोलेयर गुणों या सोखने वाले अणुओं, बहुलक परतों या ग्राफीन में संरचनात्मक परिवर्तन भी किया जा सकता है।

धातुओं के एक्स-रे उत्सर्जन स्पेक्ट्रा में भूतल प्लास्मों को भी देखा जा सकता है। धातुओं के एक्स-रे उत्सर्जन स्पेक्ट्रा में सतह प्लास्मों के लिए एक फैलाव संबंध व्युत्पन्न किया गया है (हर्ष और अग्रवाल)।^[13]

नोट्रे डेम डी पेरिस की गॉथिक वास्तुकला में सना हुआ ग्लास गुलाब की खिड़की। कुछ रंग सोने के नैनो-कणों के कोलाइड द्वारा प्राप्त किए गए थे।

वर्तमान में पदार्थ के रंगों को नियंत्रित करने के लिए सतह के प्लास्मों का उपयोग किया गया है।^[14] यह संभव है क्योंकि कण के आकार और आकार को नियंत्रित करने से सतह के प्लास्मों के प्रकार निर्धारित होते हैं जिन्हें इसमें जोड़ा जा सकता है और इसके चारों ओर फैल सकता है। यह, बदले में सतह के साथ प्रकाश की परस्पर क्रिया को नियंत्रित करता है। इन प्रभावों को मध्यकालीन गिरिजाघरों को सुशोभित करने वाले ऐतिहासिक सना हुआ ग्लास द्वारा चित्रित किया गया है। कुछ सना हुआ ग्लास रंग एक निश्चित आकार के धातु नैनोकणों द्वारा निर्मित होते हैं जो कांच को एक जीवंत लाल रंग देने के लिए ऑप्टिकल क्षेत्र के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। आधुनिक विज्ञान में, इन प्रभावों को दृश्य प्रकाश और माइक्रोवेव विकिरण दोनों के लिए इंजीनियर किया गया है। माइक्रोवेव सीमा में पहले बहुत से शोध चलते हैं क्योंकि इस तरंग दैर्ध्य पर भौतिक सतहों और नमूनों को यांत्रिक रूप से उत्पादित किया जा सकता है क्योंकि प्रतिरूप कुछ सेंटीमीटर के क्रम में होते हैं। ऑप्टिकल सीमा सरफेस प्लास्मोन इफेक्ट के उत्पादन में ऐसी सतहें बनाना सम्मिलित है जिनकी विशेषताएं <400 नैनोमीटर हैं। यह बहुत अधिक कठिन है और वर्तमान में किसी विश्वसनीय या उपलब्ध विधि से करना संभव हुआ है।

वर्तमान में ग्राफीन को सतह के प्लास्मों को समायोजित करने के लिए भी दिखाया गया है, जो निकट क्षेत्र अवरक्त ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी विधि के माध्यम से देखा गया है^[15]^[16] और इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी ^[17] ग्राफीन प्लास्मोनिक्स के संभावित अनुप्रयोगों ने मुख्य रूप से टेराहर्ट्ज़ को मध्य-अवरक्त आवृत्तियों को संबोधित किया, जैसे कि ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर, फोटोडेटेक्टर, बायोसेंसर आदि।^[18]

संभावित अनुप्रयोग

प्लास्मोन अवशोषण और उत्सर्जन चोटियों की स्थिति और तीव्रता आणविक सोखना से प्रभावित होती है, जिसका उपयोग आणविक सेंसर में किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, सोने की परत के अवशोषण (विद्युत चुम्बकीय विकिरण) में परिवर्तन का पता लगाने के आधार पर दूध में कैसिइन का पता लगाने वाला एक पूरी तरह से चालू उपकरण प्रोटोटाइप किया गया है।^[19] विभिन्न प्रकार के अणुओं, प्रोटीन आदि को संवेदन के लिए धातु नैनोकणों के स्थानीयकृत सतह प्लास्मों का उपयोग किया जा सकता है।

प्लास्मोन्स को माइक्रोप्रोसेसर पर सूचना प्रसारित करने का एक साधन माना जा रहा है क्योंकि प्लास्मोन्स बहुत अधिक आवृत्तियों (100 टेराहर्ट्ज़ (इकाई)यूनिट) सीमा में) का समर्थन कर सकते हैं, जबकि पारंपरिक तार दसियों गीगाहर्ट्ज़ में बहुत हानिपूर्ण हो जाते हैं)। चूँकि प्लास्मोन-आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स के वास्तविक होने के लिए ट्रांजिस्टर के अनुरूप एक प्लास्मोन-आधारित एम्पलीफायर, जिसे प्लाज्मामॉटर को बनाने की आवश्यकता है।^[20]

प्लास्मोन्स भी प्लास्मोनिक नैनोलिथोग्राफी के रूप में उच्च-समाधान फोटोलिथोग्राफी और माइक्रोस्कोपी के साधन के रूप में उनके अत्यंत छोटे तरंग दैर्ध्य के कारण हैं; इन दोनों अनुप्रयोगों ने प्रयोगशाला वातावरण में सफल प्रदर्शन देखा है।

अंत में, सतह के प्लास्मों में प्रकाश को बहुत छोटे आयामों तक सीमित करने की अनूठी क्षमता होती है, जो कई नए अनुप्रयोगों को सक्षम कर सकती है।

सरफेस प्लास्मोन उन पदार्थ के गुणों के प्रति बहुत संवेदनशील होते हैं जिन पर वे प्रचार करते हैं। इसने कोलाइड फिल्मों पर मोनोलयर्स की मोटाई को मापने के लिए उनका उपयोग किया है, जैसे प्रोटीन बाध्यकारी घटनाओं की जांच और मात्रा निर्धारित करना बियाकोर जैसी कंपनियों के पास इन सिद्धांतों पर काम करने वाले उपकरणों का व्यवसायीकरण है। ल 'ओरियल और अन्य द्वारा मेकअप को उत्तम बनाने की दृष्टि से ऑप्टिकल सरफेस प्लास्मों की जांच की जा रही है।^[21]

2009 में, एक कोरियाई शोध दल ने प्लास्मोंस के उपयोग के साथ कार्बनिक प्रकाश उत्सर्जक डायोड दक्षता में अधिक सुधार करने का एक विधि खोजा थी ।^[22]

आईएमईसी के नेतृत्व में यूरोपीय शोधकर्ताओं के एक समूह ने धातु नैनोस्ट्रक्चर (प्लास्मोनिक प्रभाव का उपयोग करके) को सम्मिलित करके सौर सेल की क्षमता और लागत में सुधार के लिए काम प्रारंभ कर दिया है जो विभिन्न प्रकार के सौर कोशिकाओं में प्रकाश के अवशोषण को बढ़ा सकता है: क्रिस्टलीय सिलिकॉन (सी-सी), उच्च -परफॉरमेंस III-V, ऑर्गेनिक और डाई-सेंसिटाइज़्ड.

^[23] चूँकि प्लास्मोनिक फोटोवोल्टिक उपकरणों के उत्तम विधि से काम करने के लिए, अति-पतली पारदर्शी संवाहक ऑक्साइड आवश्यक हैं।^[24]

प्लास्मोनिक्स का उपयोग करते हुए पूर्ण रंगीन होलोग्राम^[25] प्रदर्शित किया गया है।

प्लास्मोन-सोलिटॉन</

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