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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)
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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
DOI (Digital Object Identifier)
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Plasmons de surface localisés
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3. Techniques d'excitation des plasmons de surface à une interface planaire métal-diélectrique
Dans cette section, nous abordons les principales configurations rencontrées pour la génération de plasmons de surface et considérons le cas des interfaces planaires. Le cas des interfaces cylindriques est brièvement abordé.
3.1 Couplage par prismes
Comme évoqué plus haut, la configuration la plus répandue pour la génération de plasmons de surface est celle illustrée à la figure 5 et appelée prisme de Kretschmann. La lumière y est injectée vers une face plane recouverte d'une couche nanométrique métallique. L'angle d'incidence θ est supérieur à l'angle critique θc de sorte que la lumière est totalement réfléchie à l'interface. La puissance réfléchie est alors détectée à l'aide d'une photodiode. La réflexion interne totale de lumière engendre une onde évanescente dont l'amplitude décroît de façon exponentielle par rapport à l'interface entre le prisme et la couche métallique. Cette onde excite le plasmon de surface à l'interface métal-diélectrique extérieur. Lorsque l'onde lumineuse se couple avec le plasmon de surface, elle lui transfère une partie de sa puissance, ce qui se manifeste par une diminution de la réflectivité pour un angle d'incidence donné (ici θ0), comme illustré sur la partie droite de la figure 5.
La constante de propagation du plasmon de surface se propageant le long de la couche fine métallique est influencée par le diélectrique du côté opposé du métal et peut s'écrire :
( 68 )
où βSP,0 représente la constante de propagation du plasmon de surface se propageant à l'interface métal-diélectrique en l'absence du prisme et Δβ tient compte de l'épaisseur finie du métal et de la présence du prisme. Les indices d et m représentent respectivement le diélectrique et le métal. Pour que le couplage entre l'onde évanescente et le plasmon de surface puisse avoir lieu, la constante de propagation de l'onde évanescente doit être égale à celle du plasmon de surface, à savoir :
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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).
-
(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).
-
(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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