Oberflächenplasmonen

Oberflächenplasmonen sind kollektive Schwingungen der freien Elektronen eines Metalls an einer Grenzfläche zu einem Dielektrikum. Sie umfassen zwei Hauptformen: Oberflächenplasmon-Polaritonen (SPP), die entlang der Grenzfläche propagieren, und lokalisierte Oberflächenplasmonen (LSP) in Nanopartikeln, die räumlich eingeschlossen sind.

SPP entstehen durch Kopplung eines elektromagnetischen Feldes an die elektronischen Oberflächenmoden. Ihre Wellenzahl k_SPP liegt größer als die des freien Lichts und hängt von den Permittivitäten ε_m(ω) des Metalls und ε_d(ω) des Dielektrikums ab. Eine übliche Näherung lautet k_SPP = k0 sqrt(ε_m ε_d/(ε_m + ε_d)). Sie existieren bei Frequenzen, bei denen Re(ε_m) negativ ist; das Feld ist stark an die Grenzfläche gefesselt und dehnt sich nur schwach in die Medien aus.

Lokalisiert Oberflächenplasmonen treten auf, wenn Partikel kleiner als die Wellenlänge sind. Ihre Resonanz hängt von Form, Größe, Material und Umgebung ab und wird klassisch durch die Mie-Theorie beschrieben. LSP liefern starke Nahfeldverstärkungen, ermöglichen SERS und verstärken Fluoreszenz. Die Resonanz verschiebt sich bei Änderungen des Brechungsindex der Umgebung und wird durch Verlustmechanismen begrenzt.

Zur Anregung von SPP werden Kopplungstechniken wie die Kretschmann-Konfiguration, Otto-Konfiguration oder periodische Gratings genutzt. LSP werden typischerweise durch direkte Lichtanregung an metallischen Nanostrukturen angeregt. Materialien: Gold und Silber sind verbreitet; Gold ist chemisch stabiler, Silber liefert schärfere Linien, ist aber anfälliger für Oxidation.

Anwendungen umfassen SPR-Sensorik zur refraktiven Indexbestimmung, SERS, plasmonische Waveguides und subdiffractionale Bildgebung. Grenzen sind Verluste, Wärmeentwicklung und Umweltstabilität; die Ausbeute und Feldstärke hängen stark von Frequenz, Geometrie und Umgebung ab.