ежить від кута падіння. Якщо при певному куті падіння швидкість цієї хвилі співпаде зі швидкістю поверхневого плазмона на поверхні металу, то умови повного внутрішнього відображення порушаться, і відображення перестане бути повним, виникне поверхневий плазмонний резонанс.
У нанорозмірних металевих системах відбувається модифікація колективних електронних збуджень. Колективне електронне збудження металевих наночастинок, розмір яких менше довжини хвилі електромагнітного випромінювання в навколишньому середовищі - локалізований поверхневий плазмон, - коливається на частоті, меншої частоти об'ємного плазмона в? 3 разів, тоді як частота поверхневого плазмона приблизно в? 2 разів менше, ніж частота об'ємного плазмона. При збігу частоти зовнішнього поля з частотою локалізованого поверхневого плазмона виникає резонанс, що приводить до різкого посилення поля на поверхні частинки і збільшенню перетину поглинання.
Поверхневі плазмони - це хвилі змінної щільності електричного заряду, які можуть виникати і поширюватися в електронній плазмі металу уздовж його поверхні або уздовж тонкої металевої плівки. Виявилося, що за певних умов поверхневі плазмони можуть порушуватися під впливом поляризованого світла. Схема спостереження поверхневого плазмонного резонансу, яку стали називати за прізвищем автора геометрією Кречман raquo ;, показана на малюнку:
- прозора середу з високим показником заломлення; 2 - тонка металева плівка; 3 - загасаюча електромагнітна хвиля; 4 - досліджувана рідина
Малюнок 5 - Схема оптичного спостереження явища ППР
Світло проходить крізь оптично прозоре середовище 1 з відносно великим показником заломлення, наприклад, крізь призму зі скла і падає під певним кутом на тонку металеву плівку 2, нанесену на поверхню скла. Кут падіння повинен бути більше кута повного внутрішнього відображення. Частина світла проникає в метал і поширюється в ньому у вигляді швидко затухаючої електромагнітної хвилі 3. Остання збуджує коливання вільних електронів металу - т.зв. електронної плазми raquo ;. І в цій плазмі можуть виникати колективні коливальні рухи електронів, які прийнято описувати як квазічастинки - т.зв. поверхневі плазмони .
Збудження стає особливо ефективними за умов, якщо:
1. світло поляризований;
2. поляризація його така, що електричний вектор електромагнітної хвилі лежить у площині падіння, а магнітний вектор паралельний поверхні металу;
. проекція хвильового вектора фотонів світла на площину плівки дорівнює хвильовому вектору поверхневого плазмона.
Коли ці умови виконані, то значна частина енергії світла перетворюється на енергію плазмонів, через що інтенсивність відбитого від поверхні металевої плівки світла різко падає. Це явище і називають поверхневого плазмонного резонансом .
Якщо металева плівка 2 досить тонка ( lt; 200 нм), то значна частина затухаючої в металі електромагнітної хвилі досягає протилежної поверхні металу. І тоді ППР стає чутливим до властивостей того середовища 4, яка контактує з металом з іншого боку плівки. Від електричної поляризації цього середовища, зокрема від її діелектричної постійної (яка у діелектриків дорівнює квадрату показника заломлення світла), залежить положення мінімуму кривої ППР.
Умова рівності хвильових векторів записується у вигляді
де - довжина хвилі світла;- Показник заломлення середовища, на поверхні якої знаходиться металева плівка (зазвичай скла);- Кут падіння світла на металеву плівку;- Хвильовий вектор поверхневого плазмона металевої плівки;- Модуль комплексної діелектричної проникності металу;- Показник заломлення середовища, яка знаходиться на протилежній стороні металевої плівки.
Як видно з цієї формули, зміни властивостей металу або показника заломлення середовища 4 змінюють праву сторону рівняння, внаслідок чого становище резонансу змінюється.
. 2 Види кривої ППР
Типова крива ППР, тобто залежність інтенсивності відбитого металевою плівкою світла від проекції хвильового вектора на площину плівки, показана на малюнку. Тут по вертикалі відкладена у відносних одиницях інтенсивність відбитого світла, а по горизонталі - проекція або пропорційна їй величина - теж у відносних одиницях. Спостерігається чіткий і досить гострий резонанс. При зміні властивостей металевої плівки (значень і) або показника заломлення n розташованої зовні середовища мінімум резонансної кривої помітно зміщується.
Малюнок 6 - Типова крива ППР - залежність інтенсивності відбитого світла від проекції хвильового вектора на площину плівки
