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RÉSUMÉ
Les plasmons de surface sont des oscillations quantifiées de plasma, ils existent à l'interface entre un milieu métallique, le plus souvent un métal noble, et un milieu diélectrique. L'oscillation collective des électrons qui les constitue coexiste avec le champ électromagnétique évanescent de chaque côté de l'interface. Un dispositif efficace et relativement simple d'excitation des plasmons de surface consiste à travailler en réflexion interne totale de lumière dans un prisme dont une face plate est recouverte d'une fine couche métallique. Ces ondes sont principalement exploitées en bio-physique et en bio-chimie au travers de la résonance de plasmon de surface. Ce dossier détaille le formalisme mathématique permettant de décrire les plasmons de surface à une interface métal-diélectrique. Il s'attarde ensuite sur les moyens possibles pour exciter des plasmons de surface, dans le cas des interfaces planaires et cylindriques. Il fournit ensuite quelques considérations sur les plasmons de surface localisés. Finalement, quelques applications dans le domaine de la spectroscopie et des bio-capteurs sont abordées.
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Surface plasmons are quantified oscillations of plasma. They exist at the interface between a metallic medium ? most often a noble metal ? and a dielectric. The collective oscillation of the constitutive electrons coexists with an electromagnetic field at both sides of the interface. An efficient and relatively simple excitation mechanism of surface plasmons consists in working under the condition of total internal reflection in a prism whose one flat face is coated with a thin metallic layer. These waves are mainly used in (bio)physics and (bio)chemistry through the exploitation of surface plasmon resonances. This paper presents the mathematical formalism used to represent surface plasmons at a metal-dielectric interface. Practical means used to excite surface plasmons are then presented, in the case of both planar and cylindrical interfaces. Some details about localized surface plasmons are also given. Finally, some applications are described for spectroscopy and biosensing purposes.
Auteur(s)
-
Christophe CAUCHETEUR : Docteur en sciences de l'Ingénieur - Chercheur qualifié du FRS-FNRS à la Faculté polytechnique de l'université de Mons, Belgique
INTRODUCTION
Dans les métaux, il existe des ondes particulières appelées ondes plasma, qui correspondent à une oscillation de la densité de charges. Ces ondes possèdent une structure longitudinale, autrement dit le vecteur d'onde qui leur est associé est parallèle au champ électrique. Elles ne peuvent donc pas être générées optiquement, compte tenu de la structure transverse de l'onde électromagnétique lumineuse. Il est cependant possible de lever cette contrainte à l'interface entre un métal et un diélectrique, pour peu qu'une onde évanescente présentant une composante longitudinale soit générée à cette interface. Le mode mixte lumière/oscillation plasma ainsi engendré constitue alors le plasmon. En pratique, le couplage entre l'onde plasma et la lumière n'est possible que moyennant un accord des vitesses de phase des deux ondes. Cette condition s'obtient lorsque les vecteurs d'onde sont identiques le long de l'interface. Un moyen simple et efficace de générer une onde évanescente propice au couplage avec le plasmon est de travailler en réflexion interne totale dans un prisme dont une face est recouverte d'une couche nanométrique métallique. Lorsque la lumière incidente est couplée avec l'onde plasmonique, il n'y a plus de lumière réfléchie compte tenu du fait que l'énergie lumineuse transférée vers le plasmon se dissipe dans le métal. Cette dissipation est liée à la partie imaginaire de la constante diélectrique du métal et se traduit par une certaine largeur de résonance. Les ondes de plasmons de surface étant très sensibles aux changements d'indice de réfraction du milieu diélectrique extérieur, elles sont naturellement exploitées pour faire de la réfractométrie fine. Les principales applications incluent la mesure de constantes diélectriques des métaux, la réalisation de capteurs (bio)chimiques, la spectroscopie...
Ce principe physique, dont les premières observations remontent à plus de 100 ans, a été abondamment étudié et documenté. De nombreux ouvrages détaillent le principe de fonctionnement des ondes de plasmons de surface et leur utilisation. Ce dossier a pour objectif de présenter au lecteur le principe physique sous-jacent à la génération de plasmons de surface dans les fibres optiques. Il s'attarde ensuite sur les principales configurations utilisées pour l'excitation de plasmons de surface. Des exemples concrets de réalisation sont finalement discutés.
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KEYWORDS
nanoparticles | Surface Plasmons | Metallic interface | Refractometry | Biosensing
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4. Plasmons de surface localisés
Dans cette section, sans entrer dans le détail, nous introduisons les plasmons de surface localisés et leurs différentes caractéristiques.
Lorsque le métal possède des dimensions très inférieures à la longueur d'onde incidente, la symétrie du nuage électronique résonant diffère de manière significative par rapport au cas classique. On parle alors d'un autre type de plasmon, le plasmon de surface localisé (LSPR pour localised surface plasmon resonance ). Dans le cas d'une nanosphère de métal, les électrons en surface de la particule peuvent osciller en phase lorsqu'ils sont excités par une onde électromagnétique incidente, comme illustré à la figure 11. Celle variation de densité électronique quasi ponctuelle possède la symétrie d'un dipôle oscillant ; l'onde incidente peut alors entrer en résonance avec le plasmon quel que soit l'angle d'incidence. Au même titre, lorsqu'il est excité, le plasmon de surface localisé peut émettre en champ proche, tant que la symétrie de son nuage électronique oscillant est majoritairement dipolaire. Le plasmon de surface localisé agit donc comme un oscillateur.
La résonance du plasmon de surface localisé d'une nanoparticule métallique apparaît à une fréquence caractéristique, différente de celle du plasmon du même métal continu (par exemple 130 nm pour l'or en phase continue dans le vide et 525 nm pour des nanoparticules d'or de taille inférieure à 100 nm). Les métaux présentent une très haute densité en électrons de conduction, ce qui confère une intensité remarquable à l'oscillation plasmonique et en fait l'interaction lumière-matière la plus énergétique connue à ce jour. Nous détaillons ci-dessous les paramètres physiques qui influencent les plasmons de surface localisés.
4.1 Taille des particules
La taille des particules a évidemment une influence conséquente sur le spectre d'extinction (absorption + diffusion) de nanoparticules d'un métal donné. En pratique, pour des particules de taille inférieure à 10 nm et donc de volume restreint, c'est la diffusion...
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Plasmons de surface localisés
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - WOOD (R.W.) - On a remarkable case of uneven distribution of light in a diffraction grating spectrum. - Proceedings of the Physical Society of London, 18, p. 269 (1902).
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(2) - FANO (U.) - The theory of anomalous diffraction gratings and of quasi-stationary waves on metallic surfaces (Sommerfeld's waves). - Journal of the Optical Society of America, 31, p. 213-222 (1941).
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(3) - WANGSNESS (R.K.) - Electromagnetic fields. - John Wiley & Sons. New-York, USA (1986).
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(4) - RITCHIE (R.H.) - Plasma losses by fast electrons in thin films. - Physical Review, 106, p. 874-881 (1957).
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(5) - TURBADAR (T.) - Complete absorption of light by thin metal films. - Proceedings of the Physical Society, 73, p. 40 (1959).
-
(6) - OTTO (A.) - Excitation of non-radiative surface...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Congrès : META – International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics. Conférence organisée chaque année à un endroit différent http://metaconferences.org
Congrès : SPP – International Conference on Surface Plasmon Photonics. Conférence organisée tous les deux ans à un endroit différent. Site Internet différent pour chaque édition.
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