zum Directory-modus

Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)

Oberflächenplasmonen

Eine Plasmaschwingung in einem Metall oder Halbleiter ist eine kollektive longitudinale Anregung des Leitungselektronengases. Dabei oszilliert der See der Leitungselektronen gegenüber den Ionenrümpfen. Das Quant der Plasmaschwingung wird Plasmon genannt.

Abb.1

Volumenplasmonen sind rein longitudinale Schwingungen (Schwingung in Richtung der Ausbreitung). Sie können nicht durch Licht angeregt werden, sondern nur durch Teilchenstoß, z.B. Elektronenstreuung, da Licht eine transversale Schwingung ist (Schwingung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung).

An der Oberfläche bilden Plasmonen wie Wasserwellen auch einen transversalen Schwingungsanteil aus, da dort abstoßende Nachbarn fehlen. Oberflächenplasmonen können durch parallel zur Einfallsebene polarisiertes Licht (Transversal Magnetische Polarisation) angeregt werden. In dünnen Metallfilmen breiten sie sich als nichtstrahlende elektromagnetische Oberflächenmoden mit definierter Dispersion aus. Die Dispersion der Oberflächenwellen hängt stark vom Brechungsindex des umgebenden Mediums ab. Bei anisotropen Umgebungsmedien sind sie vor allem sensitiv für den Brechungsindex senkrecht zur Metalloberfläche, d.h. senkrecht zur Schwingungsrichtung der Plasmonen.

Zu beachten sind bei der Anregung Energie- und Impulserhaltung. Daher können Oberflächenplasmonen nur über das evaneszente Feld angeregt werden.

Die Verteilung des elektromagnetischen Feldes hat an der Oberfläche ein Maximum und fällt senkrecht zur Oberfläche exponentiell ab. Oberflächenplasmonen sind stark gedämpft, z.B. durch Streuprozesse an der Oberfläche. Ihre Abklingzeit beträgt nur wenige Femtosekunden (zum Vergleich: Zerfallszeiten bei atomaren Einzelelektronanregungen betragen ca. 10 n s ). Daher lassen sich auf einem Gold-Film an unterschiedlichen Stellen verschiedene Plasmonen anregen, wodurch auch lokale Brechungsindexänderungen bestimmt werden können.

Historisches

Die Anregung von Oberflächenplasmonen nutzt man seit Jahrhunderten aus, um Gläser zu färben, beispielsweise gehen die roten und gelben Farben mittelalterlicher Kirchenfenster auf die Anregung von Oberflächenplasmonen in kleinen Gold- und Silber-Partikeln zurück, die in Fensterglas eingebettet sind. Durch Größe und Form der Partikel sowie durch die umgebende Glasart lässt sich die Resonanzfrequenz der Plasmonen und damit die Fensterfarbe variieren.

Seite 2 von 7