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

Định nghĩa và đặc điểm cơ bản

Plasmon bề mặt (surface plasmon) là dao động tập thể của electron tự do tại giao diện giữa kim loại và chất điện môi, có khả năng tương tác mạnh với sóng điện từ ánh sáng. Hiện tượng này xuất phát từ dao động plasma trong kim loại nhưng chỉ tồn tại ở bề mặt do điều kiện biên giữa hai môi trường có độ điện thẩm khác nhau.

Surface plasmon polariton (SPP) là sóng lan truyền dọc bề mặt kim loại–điện môi, kết hợp giữa dao động điện tử và trường điện từ kèm theo. Khác với SPP, localized surface plasmon (LSP) chỉ xuất hiện ở các cấu trúc nano kim loại khi kích thước nhỏ hơn bước sóng ánh sáng, dẫn đến cộng hưởng điện tử cục bộ.

• SPP: lan truyền dọc bề mặt, tỉ lệ tán xạ thấp, ứng dụng trong kết nối quang.
• LSP: cộng hưởng tại hạt nano, tạo cường độ trường điện từ cao cục bộ.
• Điều kiện tồn tại: ε_m(ω) < 0 và ε_d(ω) > 0, với ε_m, ε_d lần lượt là độ điện thẩm của kim loại và môi trường.

Nguyên lý vật lý và mô hình lý thuyết

Phương trình Maxwell với điều kiện biên tại giao diện dẫn đến nghiệm mô tả sóng SPP. Mô hình điện động học này kết hợp phương trình Maxwell–Faraday và Maxwell–Ampère, cho phép giải thích tính chất lan truyền và suy giảm của sóng plasmon.

Tần số plasma của kim loại được xác định bởi công thức $\omega_p = \sqrt{\frac{n e^2}{\varepsilon_0 m^*}}$ trong đó n là mật độ electron, e là điện tích electron, ε₀ hằng số điện môi chân không và m* khối lượng hiệu dụng của electron trong mạng tinh thể.

Phương trình phân tán của SPP tại giao diện kim loại–điện môi biểu diễn quan hệ giữa vector sóng và tần số ánh sáng: $k_{\mathrm{SPP}} = \frac{\omega}{c}\sqrt{\frac{\varepsilon_m \varepsilon_d}{\varepsilon_m + \varepsilon_d}}$ Giá trị k_SPP lớn hơn k_0 = ω/c dẫn đến hiện tượng ánh sáng tự do không thể kích thích trực tiếp sóng plasmon mà cần kỹ thuật ghép bước sóng.

Phương pháp kích thích và khuyếch đại

Kỹ thuật prism coupling theo cấu hình Kretschmann cho phép ánh sáng đi qua prism kim loại mỏng với góc tới phù hợp để tạo điều kiện ghép pha giữa photon và plasmon. Độ phản xạ tối thiểu quan sát được tại góc cộng hưởng ứng với sự kích thích tối ưu của SPP.

Grating coupling sử dụng mạng rãnh định kỳ trên bề mặt kim loại để bù đắp sai biệt vector sóng, cho phép ánh sáng tự do kích thích plasmon mà không cần prism. Phương pháp này linh hoạt về thiết kế và dễ tích hợp trong cấu trúc planar.

• Kretschmann configuration: prism–film–dielectric, ứng dụng trong đo SPR.
• Otto configuration: prism–không khí–film, giảm tổn thất ohmic.
• Nanostructure coupling: sử dụng nanoparticle để khuếch đại cục bộ LSP.

Vật liệu và cấu trúc nano

Kim loại truyền thống cho plasmon bề mặt là vàng (Au), bạc (Ag) và đồng (Cu), do độ điện thẩm thực âm và tổn thất ohmic ở mức chấp nhận được trong vùng quang học. Vật liệu mới như hợp kim Ag–Au hoặc kim loại chuyển tiếp được nghiên cứu để tối ưu khả năng cộng hưởng và bền vững.

Cấu trúc nano plasmonic đa dạng gồm nanoparticle hình cầu, nanorod, nanoshell và thin film. Hình dạng và kích thước xác định bước sóng cộng hưởng plasmon, cho phép điều chỉnh phổ hấp thụ và cường độ trường điện từ trên bề mặt.

• Nanorod: cộng hưởng đa cực, phổ lan rộng.
• Nanoshell: lõi dielectric và vỏ kim loại, điều chỉnh tần số bằng tỷ lệ bán kính.
• Thin film: dễ chế tạo, tích hợp trên chip quang học.

Cấu trúc	Bước sóng cộng hưởng (nm)	Ứng dụng
Nanoparticle (Au, 50 nm)	520–550	Ma trận cảm biến sinh học
Nanorod (Au, 20×60 nm)	650–700	Chẩn đoán hình ảnh phân tử
Nanoshell (SiO₂@Au)	700–900	Liệu pháp nhiệt quang

Kỹ thuật đo lường và hình ảnh hóa

Phổ hấp thụ và tán xạ UV–Vis–NIR là kỹ thuật cơ bản để xác định bước sóng cộng hưởng plasmon và cường độ trường gần. Máy đo UV–Vis thông thường cho phép ghi phổ hấp thụ của dung dịch chứa nanoparticle kim loại, thu được đỉnh cộng hưởng LSP điển hình quanh 520 nm đối với hạt vàng đường kính ~50 nm. Đối với SPP, phương pháp góc cộng hưởng prism–film đo hệ số phản xạ theo góc tới cung cấp đường cong SPR đặc trưng, với yếu tố cộng hưởng xuất hiện dưới dạng đáy phản xạ tối.

Hiển vi electron truyền qua (TEM) kèm phổ EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy) cho phép khảo sát plasmon cục bộ với độ phân giải nanomet và phân tích phổ năng lượng thất thoát điện tử. EELS thu tín hiệu thất thoát năng lượng khi chùm electron truyền qua mẫu, từ đó khôi phục phổ plasmon tại những vùng cục bộ nhỏ hơn 10 nm. Kỹ thuật này rất hữu ích để đánh giá phân bố cộng hưởng trong cấu trúc phức tạp như nanoshell hoặc nanorod.

• SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy): sử dụng đầu dò quang học để ghi ảnh trường gần của sóng SPP.
• Dark-field microscopy: quan sát tán xạ ánh sáng từ LSP, cho phép định vị đơn lẻ nanoparticle trên nền tối.
• Ellipsometry: đo biến thiên pha và biên độ của ánh sáng phản xạ trên thin film plasmonic.

Kỹ thuật	Độ phân giải không gian	Phạm vi ứng dụng
UV–Vis–NIR	~1 mm	Phổ hấp thụ plasm.
EELS–TEM	<10 nm	Phân tích plasmon cục bộ
SNOM	~50 nm	Ảnh trường gần SPP

Ứng dụng chính

SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering) tận dụng cường độ trường điện từ cục bộ tăng cao tại bề mặt nanoparticle để khuếch đại tín hiệu Raman của phân tử bám lên bề mặt. Khả năng tăng cường độ lên tới 10⁶–10⁸ lần giúp phát hiện phân tử ở nồng độ cực thấp (ppt–ppb), phục vụ chẩn đoán sinh học và phân tích hóa học định lượng (Optica).

SPR biosensing là nền tảng đo độ thay đổi góc hoặc bước sóng cộng hưởng khi phân tử đính kết lên bề mặt cảm biến, cho phép giám sát tương tác protein–ligand trong thời gian thực mà không cần gắn nhãn. Thiết bị SPR thương mại như Biacore đã trở thành công cụ chuẩn trong nghiên cứu dược phẩm và phát triển kháng thể (ACS Nano).

• Optical modulators và switch plasmonic: điều khiển tín hiệu quang học trên chip với kích thước nanoscale.
• Photothermal therapy: nanoparticle plasmonic hấp thụ ánh sáng NIR và chuyển thành nhiệt, tiêu diệt tế bào ung thư (RSC Nanoscale).
• Quang dẫn sóng tích hợp: plasmonic waveguide cho phép truyền tín hiệu giữa các thành phần tích hợp quang-truyền-vật liệu.

Hạn chế và thách thức

Tổn thất ohmic trong kim loại ở vùng quang học gây suy giảm năng lượng sóng SPP nhanh, giới hạn khoảng cách truyền dẫn xuống vài chục đến hàng trăm micromet. Điều này làm giảm hiệu quả trong mạch quang trọn gói và buộc phải tìm kiếm vật liệu thay thế hoặc cấu trúc giảm tổn thất.

Ổn định nhiệt và hóa học của các cấu trúc nano plasmonic là vấn đề lớn, đặc biệt trong môi trường sinh học hoặc nhiệt độ cao. Kim loại mỏng dễ bị oxy hóa, làm thay đổi độ điện thẩm và giảm hiệu suất plasmon. Việc phủ lớp bảo vệ (SiO₂, Al₂O₃) giúp cải thiện độ bền nhưng có thể làm giảm cường độ trường gần.

• Chi phí chế tạo chính xác nanostructure: cần công nghệ lithography/EBL độ phân giải cao.
• Khó tích hợp đồng thời nhiều chức năng (kích thích, phát hiện, khuyếch đại) trên cùng một chip.
• Giới hạn thao tác trong môi trường sống sót của tế bào khi ứng dụng y sinh.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Metamaterial plasmonic, kết hợp kim loại–môi trường có cấu trúc tuần hoàn, cho phép điều khiển chiết suất hiệu dụng âm và tập trung hoặc khuếch đại sóng plasmon trong không gian nhỏ hơn bước sóng. Thiết kế meta-atom với kích thước dưới 50 nm mở ra ứng dụng cloaking và siêu ống kính quang học.

Quantum plasmonics nghiên cứu tương tác giữa plasmon và trạng thái lượng tử của emitters (quantum dots, NV center trong kim cương). Hiệu ứng strong coupling có thể tạo ra polariton hỗn hợp ánh sáng–vật chất, tích hợp trong thiết bị lượng tử và máy dò độ nhạy cao.

1. Tích hợp plasmonic–silicon photonics: kết hợp hiệu suất truyền xa của silicon và cường độ trường cao của plasmon.
2. Khám phá vật liệu mới như đồ họa 2D (graphene, MoS₂) và hợp kim kim loại chuyển tiếp để giảm tổn thất.
3. Sử dụng mô phỏng điện từ học tích hợp (FDTD, FEM) kết hợp AI để tối ưu thiết kế cấu trúc plasmonic đa chức năng.

Tài liệu tham khảo

• Maier, S. A. (2007). Plasmonics: Fundamentals and Applications. Springer. doi:10.1007/978-0-387-37825-1.
• Homola, J. (2008). “Surface plasmon resonance sensors for detection of chemical and biological species.” Chemical Reviews, 108(2), 462–493. doi:10.1021/cr068107d.
• Stockman, M. I. (2011). “Nanoplasmonics: Past, present, and glimpse into future.” Optics Express, 19(22), 22029–22106. doi:10.1364/OE.19.022029.
• Gramotnev, D. K., & Bozhevolnyi, S. I. (2010). “Plasmonics beyond the diffraction limit.” Nature Photonics, 4(2), 83–91. doi:10.1038/nphoton.2009.229.
• Ozbay, E. (2006). “Plasmonics: merging photonics and electronics at nanoscale dimensions.” Science, 311(5758), 189–193. doi:10.1126/science.1114849.