Plasmon là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa plasmon

Plasmon là các dao động tập thể của điện tử tự do trong vật liệu dẫn điện hoặc bán dẫn, thường là kim loại. Khi một trường điện từ tác động lên hệ điện tử tự do, thay vì đáp ứng độc lập, các điện tử có thể dao động đồng pha tạo thành sóng mật độ điện tử — gọi là plasmon. Đây là hiện tượng cơ bản trong vật lý chất rắn và quang tử học, đóng vai trò quan trọng trong tương tác ánh sáng – vật chất ở cấp độ nano.

Plasmon có thể hiểu là mode dao động lượng tử hóa của plasma điện tử trong chất rắn, tương tự như photon là lượng tử của sóng điện từ. Khi plasmon tương tác với ánh sáng, chúng tạo ra các hiệu ứng hấp thụ và tán xạ đặc trưng, là cơ sở của nhiều hiện tượng như cộng hưởng plasmon bề mặt và tăng cường điện trường. Plasmon có thể tồn tại trong không gian ba chiều (bulk), tại bề mặt (surface) hoặc bị giới hạn trong hạt nano (localized).

So sánh plasmon với các đối tượng lượng tử khác:

Đối tượng	Lượng tử hóa	Trường liên quan
Photon	Sóng điện từ	Điện từ
Phonon	Dao động mạng tinh thể	Đàn hồi
Plasmon	Dao động tập thể điện tử	Điện tích

Nền tảng lý thuyết và phương trình mô tả

Plasmon được mô tả trong mô hình khí điện tử tự do và lý thuyết điện động học tuyến tính. Khi hệ điện tử bị nhiễu loạn bởi một điện trường dao động, mật độ điện tử dao động với một tần số đặc trưng gọi là tần số plasmon ($\omega_p$). Tần số này phụ thuộc vào mật độ điện tử và các hằng số cơ bản của hệ.

Biểu thức tần số plasmon bulk trong vật liệu dẫn lý tưởng là:

$\omega_p = \sqrt{\frac{n e^2}{\varepsilon_0 m_e}}$

Trong đó:

• $n$ – mật độ điện tử tự do
• $e$ – điện tích electron
• $\varepsilon_0$ – hằng số điện môi chân không
• $m_e$ – khối lượng electron

Giá trị điển hình của $\omega_p$ đối với kim loại như bạc hoặc vàng nằm trong vùng tử ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy, giúp giải thích màu sắc đặc trưng và khả năng hấp thụ mạnh ở một số bước sóng nhất định.

Tham khảo: Rev. Mod. Phys. - The theory of plasmons

Phân loại plasmon: bulk, surface và localized

Plasmon có thể tồn tại ở các cấu hình khác nhau tùy vào môi trường vật lý. Ba loại plasmon phổ biến gồm bulk plasmon, surface plasmon polariton (SPP) và localized surface plasmon resonance (LSPR). Chúng khác nhau về cách dao động điện tử bị ràng buộc và cách tương tác với ánh sáng.

• Bulk plasmon: xảy ra bên trong khối vật liệu dẫn, thường chỉ quan sát được bằng chùm electron (EELS)
• SPP: sóng kết hợp giữa plasmon và photon lan truyền dọc theo mặt phân cách giữa kim loại và điện môi
• LSPR: dao động plasmon giới hạn trong các hạt nano kim loại dưới kích thích ánh sáng

Mỗi loại plasmon có tần số cộng hưởng, hình thái dao động và khả năng tương tác khác nhau. Trong khi bulk plasmon thường là hiện tượng thể tích không tương tác với ánh sáng nhìn thấy, thì LSPR có thể được kích thích trực tiếp bằng ánh sáng và được ứng dụng rộng rãi trong cảm biến và quang tử nano.

Bảng so sánh ba loại plasmon chính:

Loại plasmon	Vị trí	Phương pháp kích thích	Ứng dụng
Bulk	Bên trong vật liệu	EELS	Vật lý vật liệu cơ bản
SPP	Bề mặt kim loại – điện môi	Chiếu sáng tại góc chuẩn	Cảm biến quang học SPR
LSPR	Hạt nano kim loại	Laser, ánh sáng nhìn thấy	Sinh học phân tử, SERS

Đặc điểm và phổ hấp thụ plasmon

Phổ hấp thụ plasmon phản ánh tần số cộng hưởng của hệ dao động điện tử. Khi plasmon bị kích thích, nó hấp thụ năng lượng ở một dải hẹp tần số, tạo ra đỉnh phổ sắc nét. Đỉnh này phụ thuộc vào hình học, kích thước hạt, loại kim loại và chỉ số khúc xạ môi trường xung quanh.

Đối với LSPR, tần số cộng hưởng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi bán kính hạt nano hoặc thiết kế cấu trúc nano phức tạp. Cường độ điện trường tại cộng hưởng có thể tăng lên gấp hàng trăm lần, tạo hiệu ứng “hot spot” giúp khuếch đại tín hiệu phát quang hoặc Raman.

Các yếu tố ảnh hưởng đến phổ plasmon:

• Vật liệu: vàng, bạc, nhôm có phổ plasmon khác nhau
• Hình dạng hạt: cầu, que, lõm, hình sao... ảnh hưởng mạnh đến LSPR
• Môi trường: thay đổi điện môi gây dịch chuyển đỉnh hấp thụ

Nhờ tính chất này, plasmon được ứng dụng như cảm biến rất nhạy với thay đổi nhỏ ở bề mặt, cho phép phát hiện phân tử đơn lẻ hoặc tương tác sinh học thời gian thực.

Định nghĩa plasmon

Plasmon là các dao động tập thể của điện tử tự do trong vật liệu dẫn điện hoặc bán dẫn, thường là kim loại. Khi một trường điện từ tác động lên hệ điện tử tự do, thay vì đáp ứng độc lập, các điện tử có thể dao động đồng pha tạo thành sóng mật độ điện tử — gọi là plasmon. Đây là hiện tượng cơ bản trong vật lý chất rắn và quang tử học, đóng vai trò quan trọng trong tương tác ánh sáng – vật chất ở cấp độ nano.

Plasmon có thể hiểu là mode dao động lượng tử hóa của plasma điện tử trong chất rắn, tương tự như photon là lượng tử của sóng điện từ. Khi plasmon tương tác với ánh sáng, chúng tạo ra các hiệu ứng hấp thụ và tán xạ đặc trưng, là cơ sở của nhiều hiện tượng như cộng hưởng plasmon bề mặt và tăng cường điện trường. Plasmon có thể tồn tại trong không gian ba chiều (bulk), tại bề mặt (surface) hoặc bị giới hạn trong hạt nano (localized).

So sánh plasmon với các đối tượng lượng tử khác:

Đối tượng	Lượng tử hóa	Trường liên quan
Photon	Sóng điện từ	Điện từ
Phonon	Dao động mạng tinh thể	Đàn hồi
Plasmon	Dao động tập thể điện tử	Điện tích

Nền tảng lý thuyết và phương trình mô tả

Plasmon được mô tả trong mô hình khí điện tử tự do và lý thuyết điện động học tuyến tính. Khi hệ điện tử bị nhiễu loạn bởi một điện trường dao động, mật độ điện tử dao động với một tần số đặc trưng gọi là tần số plasmon ($\omega_p$). Tần số này phụ thuộc vào mật độ điện tử và các hằng số cơ bản của hệ.

Biểu thức tần số plasmon bulk trong vật liệu dẫn lý tưởng là:

$\omega_p = \sqrt{\frac{n e^2}{\varepsilon_0 m_e}}$

Trong đó:

• $n$ – mật độ điện tử tự do
• $e$ – điện tích electron
• $\varepsilon_0$ – hằng số điện môi chân không
• $m_e$ – khối lượng electron

Giá trị điển hình của $\omega_p$ đối với kim loại như bạc hoặc vàng nằm trong vùng tử ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy, giúp giải thích màu sắc đặc trưng và khả năng hấp thụ mạnh ở một số bước sóng nhất định.

Tham khảo: Rev. Mod. Phys. - The theory of plasmons

Phân loại plasmon: bulk, surface và localized

Plasmon có thể tồn tại ở các cấu hình khác nhau tùy vào môi trường vật lý. Ba loại plasmon phổ biến gồm bulk plasmon, surface plasmon polariton (SPP) và localized surface plasmon resonance (LSPR). Chúng khác nhau về cách dao động điện tử bị ràng buộc và cách tương tác với ánh sáng.

• Bulk plasmon: xảy ra bên trong khối vật liệu dẫn, thường chỉ quan sát được bằng chùm electron (EELS)
• SPP: sóng kết hợp giữa plasmon và photon lan truyền dọc theo mặt phân cách giữa kim loại và điện môi
• LSPR: dao động plasmon giới hạn trong các hạt nano kim loại dưới kích thích ánh sáng

Mỗi loại plasmon có tần số cộng hưởng, hình thái dao động và khả năng tương tác khác nhau. Trong khi bulk plasmon thường là hiện tượng thể tích không tương tác với ánh sáng nhìn thấy, thì LSPR có thể được kích thích trực tiếp bằng ánh sáng và được ứng dụng rộng rãi trong cảm biến và quang tử nano.

Bảng so sánh ba loại plasmon chính:

Loại plasmon	Vị trí	Phương pháp kích thích	Ứng dụng
Bulk	Bên trong vật liệu	EELS	Vật lý vật liệu cơ bản
SPP	Bề mặt kim loại – điện môi	Chiếu sáng tại góc chuẩn	Cảm biến quang học SPR
LSPR	Hạt nano kim loại	Laser, ánh sáng nhìn thấy	Sinh học phân tử, SERS

Đặc điểm và phổ hấp thụ plasmon

Phổ hấp thụ plasmon phản ánh tần số cộng hưởng của hệ dao động điện tử. Khi plasmon bị kích thích, nó hấp thụ năng lượng ở một dải hẹp tần số, tạo ra đỉnh phổ sắc nét. Đỉnh này phụ thuộc vào hình học, kích thước hạt, loại kim loại và chỉ số khúc xạ môi trường xung quanh.

Đối với LSPR, tần số cộng hưởng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi bán kính hạt nano hoặc thiết kế cấu trúc nano phức tạp. Cường độ điện trường tại cộng hưởng có thể tăng lên gấp hàng trăm lần, tạo hiệu ứng “hot spot” giúp khuếch đại tín hiệu phát quang hoặc Raman.

Các yếu tố ảnh hưởng đến phổ plasmon:

• Vật liệu: vàng, bạc, nhôm có phổ plasmon khác nhau
• Hình dạng hạt: cầu, que, lõm, hình sao... ảnh hưởng mạnh đến LSPR
• Môi trường: thay đổi điện môi gây dịch chuyển đỉnh hấp thụ

Nhờ tính chất này, plasmon được ứng dụng như cảm biến rất nhạy với thay đổi nhỏ ở bề mặt, cho phép phát hiện phân tử đơn lẻ hoặc tương tác sinh học thời gian thực.

Ứng dụng plasmon trong cảm biến sinh học

Các cảm biến plasmon khai thác sự thay đổi phổ cộng hưởng của plasmon khi môi trường điện môi xung quanh thay đổi. Khi một phân tử sinh học (như kháng nguyên, enzyme, DNA) gắn lên bề mặt vật liệu plasmonic, sự thay đổi chiết suất sẽ làm dịch chuyển đỉnh cộng hưởng plasmon. Dựa vào mức dịch chuyển này, ta có thể xác định sự hiện diện và nồng độ của phân tử đích.

Hai kỹ thuật phổ biến là surface plasmon resonance (SPR) và localized surface plasmon resonance (LSPR). SPR sử dụng lăng kính để kích hoạt sóng plasmon lan truyền trên bề mặt vàng, còn LSPR dùng hạt nano vàng hoặc bạc. LSPR đặc biệt nhạy vì có thể phát hiện sự thay đổi ở cấp độ nanomet hoặc thậm chí đơn phân tử.

• Ưu điểm: không cần đánh dấu phân tử, thời gian thực, độ nhạy cao
• Ứng dụng: phát hiện protein, RNA virus, tương tác thuốc–receptor, xét nghiệm huyết thanh
• Hệ thống thương mại: Biacore, Nicoya OpenSPR, Nanoplasmonics

Xem thêm tại: Nature Reviews Chemistry - Plasmonic biosensors

Plasmon và công nghệ nano quang học

Trong quang tử học cổ điển, ánh sáng bị giới hạn bởi hiện tượng nhiễu xạ, khiến không thể truyền tín hiệu dưới kích thước nửa bước sóng. Tuy nhiên, plasmon – đặc biệt là surface plasmon polariton (SPP) – có thể vượt qua giới hạn này bằng cách nén sóng ánh sáng vào kích thước nano. Nhờ đó, ánh sáng có thể được dẫn truyền qua các ống dẫn plasmonic nhỏ hơn 100 nm.

Ứng dụng plasmon trong công nghệ nano bao gồm:

• Anten plasmonic: khuếch đại sóng ánh sáng tại vị trí nano để điều hướng hoặc thu nhận tín hiệu
• Switch quang học: chuyển trạng thái plasmon dựa vào kích thích điện hoặc quang
• Hội tụ năng lượng: tập trung điện trường vào vùng “hot spot” để tăng cường các hiện tượng quang học phi tuyến

Những ứng dụng này là tiền đề cho thế hệ thiết bị quang – điện tử tích hợp quy mô nano, mạch cảm biến plasmon và bộ xử lý ánh sáng thế hệ mới.

Kỹ thuật kích thích và đo plasmon

Plasmon có thể được kích thích bằng ánh sáng, điện tử hoặc sóng điện từ. Trong SPR truyền thống, ánh sáng phân cực p chiếu vào bề mặt kim loại qua lăng kính (góc Kretschmann) tạo điều kiện cộng hưởng cho sóng plasmon. Trong LSPR, plasmon được kích hoạt trực tiếp bằng ánh sáng khi bước sóng phù hợp với tần số dao động cục bộ của hạt nano kim loại.

Đối với bulk plasmon hoặc nghiên cứu plasmon học cơ bản, kỹ thuật phổ mất năng lượng electron (EELS – electron energy loss spectroscopy) được sử dụng. Chùm electron năng lượng cao tương tác với mẫu vật gây mất một phần năng lượng tương ứng với năng lượng plasmon, từ đó xác định tần số plasmon chính xác.

Các phương pháp đo và đặc trưng plasmon:

• UV-Vis spectroscopy: đo phổ hấp thụ và tán xạ của LSPR
• EELS: đo plasmon bulk và cấu trúc plasmon không gian
• Near-field microscopy: ghi nhận phân bố điện trường plasmon
• Ellipsometry: đo thay đổi pha/phản xạ trong SPR

Plasmon trong xúc tác và chuyển hóa năng lượng

Plasmon có khả năng tạo ra electron năng lượng cao (hot electron) và trường điện mạnh tại bề mặt, hai yếu tố này giúp hạ thấp rào thế năng của các phản ứng hóa học bề mặt. Điều này dẫn đến hình thành lĩnh vực “xúc tác plasmon” – một nhánh mới của hóa học bề mặt và quang xúc tác.

Ví dụ, plasmon trong hạt nano vàng có thể hấp thụ ánh sáng nhìn thấy, tạo ra hot electron truyền sang phân tử hấp phụ như CO₂ hoặc H₂O, làm kích hoạt phản ứng phân tách nước hoặc khử CO₂. Đây là cơ chế giúp tận dụng ánh sáng mặt trời hiệu quả trong các phản ứng vốn cần năng lượng cao.

Các hệ xúc tác plasmon tiêu biểu:

Vật liệu	Phản ứng	Cơ chế
Au–TiO2	Phân tách H2O	Hot electron → TiO2
Ag–Al2O3	Khử CO2 → CO	Khuếch đại điện trường
Cu nanoisland	Khử nitrat	Plasmon cộng hưởng tạo vùng hoạt hóa

Chi tiết: ACS Catalysis - Plasmonic Hot Electron Chemistry

Thách thức và triển vọng nghiên cứu plasmon

Mặc dù plasmon mang lại tiềm năng lớn, một số hạn chế vẫn còn tồn tại như tổn hao nội tại do hấp thụ ohmic trong kim loại, hiệu suất thấp khi tích hợp vào mạch điện tử và khó kiểm soát hình học nano ở quy mô công nghiệp. Việc tìm kiếm vật liệu plasmon mới như oxit dẫn điện (ITO), graphene và hợp kim có thể giảm tổn hao và mở rộng vùng hoạt động plasmon ra khỏi vùng UV và visible.

Các hướng nghiên cứu triển vọng gồm:

• Phát triển plasmon lượng tử (quantum plasmonics) tích hợp với qubit
• Ứng dụng plasmon vào xử lý tín hiệu quang lượng tử
• Thiết kế cảm biến y sinh phân tử đơn nhờ LSPR siêu nhạy
• Tăng cường hiệu suất tế bào năng lượng mặt trời bằng hấp thụ plasmon

Với khả năng điều khiển ánh sáng ở quy mô dưới bước sóng và tạo ra hiệu ứng điện tử mạnh mẽ, plasmon đang là trung tâm trong giao thoa giữa vật lý lượng tử, hóa học bề mặt và công nghệ nano hiện đại.