プラズモン

物理学において、プラズモンはプラズマ振動の量子です。光（光学的振動）が光子から構成されるように、プラズマ振動はプラズモンから構成されます。プラズモンは、フォノンが機械的振動の量子化であるのと同様に、プラズマ振動の量子化から生じるため、準粒子とみなすことができます。したがって、プラズモンは自由電子ガス密度の集団的（離散的な数）振動です。例えば、光周波数では、プラズモンは光子と結合して、プラズモンポラリトンと呼ばれる別の準粒子を生成することができます。

プラズモンの研究および操作の分野はプラズモニクスと呼ばれます。

導入

導出

プラズモンは、1952年にデビッド・パインズとデビッド・ボームによって最初に提唱され^{[ 1 ]} 、長距離電子間相関のハミルトニアンから生じることが示された^{[ 2 ] 。}

プラズモンは古典的なプラズマ振動の量子化であるため、その特性のほとんどはマクスウェル方程式から直接導き出すことができる。^{[ 3 ]}

説明

プラズモンは、古典的な説明では、金属中の固定された正イオンに対する電子密度の振動として記述できます。プラズマ振動を視覚化するには、右向きの外部電場の中に置かれた金属の立方体を想像してください。電子は、金属内部の電場を打ち消すまで左側（右側の正イオンが露出する側）に移動します。電場が取り除かれると、電子は互いに反発し合い、右側に露出した正イオンに引き寄せられながら右に移動します。そして、何らかの抵抗や減衰によってエネルギーが失われるまで、プラズマ周波数で往復振動を繰り返します。プラズモンは、この種の振動を量子化したものです。

役割

プラズモンは金属や半導体の光学的特性において重要な役割を果たします。プラズマ周波数より低い周波数の光は、物質中の電子が光の電場を遮蔽するため、物質によって反射されます。プラズマ周波数より高い周波数の光は、物質中の電子がそれを遮蔽するのに十分な速さで応答できないため、物質によって透過されます。ほとんどの金属では、プラズマ周波数は紫外線領域にあるため、可視光領域で光沢（反射性）を示します。銅^[⁴^]や金^[⁵^]などの一部の金属は、可視光領域で電子のバンド間遷移を持ち、特定の光エネルギー（したがって色）が吸収されるため、独特の色を呈します。

半導体では、価電子プラズモン周波数は通常深紫外域にあり、電子のバンド間遷移は銅や金と同様に可視光域にあるため、独特の色と反射率が生じる^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} 。半導体が高濃度ドーピングされたナノ粒子の形態である場合、プラズモン周波数は中赤外域および近赤外域で発生する可能性があることが示されている^{[ 8 ]}^{[ 9 ] 。}

自由電子モデルでは、プラズモンエネルギーはしばしば次のように推定できます。 $E_{\rm {p}}=\hbar {\sqrt {\frac {ne^{2}}{m\varepsilon _{0}}}}=\hbar \omega _{\rm {p}},$ どこ $E_{\rm {p}}$ は放射エネルギーです。 $\omega _{\rm {p}}$ プラズモン周波数、 $n$ は伝導電子密度であり、 $e$ は基本電荷です。 $m$ は電子の質量です。 $\displaystyle \varepsilon _{0}}$ 自由空間の誘電率、そして $\hbar$ 換算プランク定数。

表面プラズモン

表面プラズモンは、表面に閉じ込められ、光と強く相互作用してポラリトンを生成するプラズモンです。^{[ 10 ]}これらは、比誘電率の実部、すなわち誘電率の正の値を示す材料（真空、空気、ガラス、その他の誘電体など）と、光の特定の周波数で誘電率の実部が負の値を示す材料（通常は金属または高濃度にドープされた半導体）との界面で発生します。誘電率の実部の符号が反対であることに加えて、負の誘電率領域における誘電率の実部の大きさは、通常、正の誘電率領域における誘電率の大きさよりも大きくなければなりません。そうでないと、光は表面に束縛されません（つまり、表面プラズモンは存在しません）。これは、ハインツ・レーザーの有名な著書にも示されています。^{[ 11 ]}可視光の波長、例えば He-Ne レーザーによって提供される 632.8 nm の波長では、表面プラズモンを支持する界面は、空気や二酸化ケイ素などの誘電体と接触している銀や金 (負の実部誘電率) などの金属によって形成されることが多い。材料の選択によっては、損失により光の閉じ込め度と伝搬距離に劇的な影響を与える可能性がある。表面プラズモンは、粒子、長方形のストリップ、V 溝、円筒、その他の構造など、平面以外の界面にも存在することができる。表面プラズモンが光の回折限界以下に光を閉じ込める能力があるため、多くの構造が研究されてきた。研究された単純な構造の 1 つは、銅とニッケルの多層システムである。Mladenovicらは、多層を 1 つのプラズモン材料として使用していることを報告している。^{[ 12 ]}ニッケル層を追加することで、銅層の酸化が防止される。銅はニッケルと並んで最も一般的な金属めっき材料であるため、プラズモニクスをプラズモニック材料として用いることは、プラズモニクス統合への容易な道筋となります。多層膜は入射光に対する回折格子として機能します。銅とニッケルの厚さ比にもよりますが、多層膜システムでは垂直入射時に最大40%の透過率を達成できます。したがって、既に広く用いられている金属を多層構造に用いることは、プラズモニクス統合のための解決策となります。

表面プラズモンは、表面増強ラマン分光法や、金属格子からの回折異常（ウッド異常）の説明などにおいて重要な役割を果たす。生化学者は、表面プラズモン共鳴を用いて、リガンドが受容体に結合するメカニズムや速度論（すなわち、基質が酵素に結合する過程）を研究する。多パラメータ表面プラズモン共鳴は、分子間相互作用の測定だけでなく、ナノ層の特性や、吸着分子、ポリマー層、グラフェンなどの構造変化の測定にも利用できる。

金属のX線発光スペクトルでは表面プラズモンも観測されることがある。金属のX線発光スペクトルにおける表面プラズモンの分散関係が導出されている（HarshとAgarwal）。^{[ 13 ]}

パリのノートルダム大聖堂にあるゴシック様式のステンドグラスのバラ窓。一部の色は、金ナノ粒子のコロイドによって実現されている。

近年では、表面プラズモンは材料の色を制御するために利用されている。^{[ 14 ]}これは、粒子の形状とサイズを制御することで、結合して伝搬できる表面プラズモンの種類が決まるからである。これにより、光と表面との相互作用が制御される。これらの効果は、中世の大聖堂を飾る歴史的なステンドグラスによって示されている。ステンドグラスの色の中には、一定サイズの金属ナノ粒子が光場と相互作用してガラスに鮮やかな赤色を与えることで生成されるものがある。現代科学では、これらの効果は可視光とマイクロ波放射の両方で設計されている。多くの研究はまずマイクロ波領域で行われている。この波長では、パターンが数センチメートル程度になる傾向があるため、材料の表面やサンプルを機械的に製造できるからである。光領域の表面プラズモン効果の生成には、400 nm未満の特徴を持つ表面を作る必要がある。これははるかに難しく、信頼できる方法で実現できるようになったのはごく最近のことである。

近年、グラフェンは表面プラズモンを収容できることも示されており、これは近視野赤外光学顕微鏡技術^{[ 15 ]}^{[ 16 ]および赤外分光法}^{[ 17 ]}によって観察されている。グラフェンプラズモニクスの潜在的な応用は主にテラヘルツから中赤外周波数を対象としており、光変調器、光検出器、バイオセンサーなどである^{[ 18 ] 。}

考えられる応用例

プラズモン吸収および発光ピークの位置と強度は分子吸着によって影響を受け、これは分子センサーに利用できます。たとえば、金層の吸収の変化を検出することに基づいて、牛乳中のカゼインを検出する完全に機能するデバイスのプロトタイプが作成されています。 ^[¹⁹^]金属ナノ粒子の局在表面プラズモンは、さまざまな種類の分子、タンパク質などの検出に使用できます。

プラズモンは、コンピュータチップ上で情報を伝送する手段として検討されている。プラズモンは、はるかに高い周波数（100 THzの範囲まで）をサポートできるのに対し、従来のワイヤは数十GHzで損失が非常に大きくなるためである。しかし、プラズモンベースのエレクトロニクスを実用化するには、トランジスタに類似したプラズモンベースの増幅器であるプラズモンスタを作成する必要がある。^[²⁰^]

プラズモンは、その極めて短い波長のため、高解像度リソグラフィーや顕微鏡法の手段としても提案されており、これらの応用例はいずれも実験室環境で成功裏に実証されている。

最後に、表面プラズモンは光を非常に小さな領域に閉じ込めるという独自の能力を持っており、これにより多くの新しい応用が可能になる可能性がある。

表面プラズモンは、伝播する材料の特性に非常に敏感です。このため、タンパク質結合イベントのスクリーニングや定量化など、コロイド膜上の単分子層の厚さを測定するために使用されています。Biacoreなどの企業は、これらの原理に基づいて動作する機器を商品化しています。ロレアルなどは、化粧品の改良を目的として光学表面プラズモンを研究しています。 ^[²¹^]

2009年、韓国の研究チームはプラズモンを利用して有機発光ダイオードの効率を大幅に向上させる方法を発見した。 ^{[ 22 ]}

IMECが率いるヨーロッパの研究者グループは、結晶シリコン（c-Si）、高性能III-V族、有機、色素増感型など、さまざまな種類の太陽電池への光吸収を強化できる金属ナノ構造（プラズモン効果を使用）を組み込むことで、太陽電池の効率とコストを改善する研究を開始しました。[ 23 ^{]しかし、}プラズモン光起電力デバイスが最適に機能するには、超薄型の透明導電性酸化物が必要です。^{[ 24 ]}プラズモニクスを使用したフルカラーホログラム^[²⁵^]が実証されています。