Embed Size (px)
Citation preview
Pertanika J. Sci. & Techno\. 4(2}: 221·230 (1996)ISSN,OI28-7680
(D Penerbit Universiti Pertaoiao Malaysia
Pencirian PlaslIlon-Polariton PerlllukaanMelalui Gandingan Parutan
W. Malunood Mat Yunus
Jabatan FidkFakulti Sains dan Pengajian Alam Sekitar
Universiti Pertanian Malaysia43400 UPM, Serdang, Setangor, Malaysia
Received 26 September 1995
ABSTRAK
Mod plasmon polariton permukaan boleh diuja oleh foton denganmenggunakan gandingan parutan untuk mendapatkan tambahanmomentum kepada foton yang berkaitan. Pengukuran keterpantulanoptik pada jarak gelombang 632.8 nm telah dilakukan untuk tiga lapisanlogam emas diatas permukaan parutan. Lapisan logam emas tersebutdiendapkan dengan teknik penyejatan vakum keatas permukaan parutanpada tekanan f"oJ 1O-6 torr. Putaran parutan, menyebabkan lurah parutantidak berkeadaan tegak dengan satah tuju mengakibatkan sistem tidaksimetri dan terjadi pertukaran pengutuban. Pertukaran ini sangat ketarahila mod SPP teruja. Pergantungan pertukaran pengutuban ini kepadasudut tuju dan sudut azimut (sudut putaran parutan relatifkepada satahtuju) dibincangkan dengan terperinci. Pada kedudukan lurah 45' dengansalah tuju, kecf;kapan pertukaran pengutupan P-S adalah maksimum.
ABSTRACT
Surface plasmon polariton mode may be excited by photons using gratingcoupling to provide the necessary extra momentum. Reflectivitymeasurements at 632.8 nm were carried out on three modulated gratinggold films. The gold films were deposited by vacuum evaporation on asilica grating at base pressure f"oJ 1O-6 torr. By rotating the grating inazimuth angle direction, where the grooves of the grating are no longerperpendicular to the plane of incidence, the symmetry of the system isbroken and polarization conversion phenomenon is introduced. Thisconversion is strongly enhanced when SPP mode is excited. Thedependence of this conversion on angle of incidence and azimuthal angleis discussed in detail. When the grooves are at about 45° to the plane ofincidence, maximum conversion is observed.
Kata kunci: parutaB, plasm.on-polaritan permukaan, keterpantulan optik,pertukaran pengutupan
w. Mahmood Mat YUDUS
PENDAHULUANPlasmon-polariton permukaan atau lebih dikenali dengan sebutan SPPadalah resonan permukaan yang dapat diperhatikan bila alur cahayaterkutub P disinarkan kepada satu parutan (Raether 1988). Mod SPPadalah resonan ketumpatan cas melintang pada antara muka logamdengan dielektrik, oleh itu ianya boleh digandingkan dengan alur cahayaterkutub P melalui tambahan momentum parutan (Pockrand 1976).Resonan plasmon-polariton telah dikenali pasti sensitif kepada pemalardielektrik antaramuka dielektrik-Iogam. Oleh yang demikian fenomenaSPP berkeupayaan dan mampu digunakan sebagai penduga dan sensoroptik (Dougherty 1993; Jory el at. 1994). Akhir-akhir ini teon mengenaiparutan telah dikembang maju dan boleh menjelaskan medan elektromagnet pada antaramuka parutan berbentuk sinusoidal dengan baik(Pockrand and Raether 1977; Chandezon elal. 1982). Untuk parutan yangmempunyai tempoh Ag, resonan plasmon-polariton, 8spp, boleh ditulissebagai
kspp = ko sin IJSPF ± mkgm = ±1, ±2,±3, .
(I)
(2)
kspp dan ko adalah komponen vektor plasmon-polariton permukaan danvektor gelombang foton dalam ruang bebas. m ialah angka genap dan kgdisebut vektor parutan dan ditulis sebagai, kg = 2rt/Ag .
Teori parutan boleh dibandingkan dengan data ujikaji untuk menentukan profil dan pemalar dielektnk parutan yang berkaitan. Bryan-Brownel at. (1993) telah menggunakan fungsi emprikal
f(x) = h [ Cin(kg; + I))'_~]
untuk menjelaskan profil parutan. h adalah dalaman lurah parutan, kg =2rt/Ag (Ag ialah tempoh parutan) dan 'Y adalah ukuran kesempurnaanparutan. 'Y = I menjelaskan profil parutan berbentuk sinusoidal sempurna.Kaitan (2) didapati tidak memenuhi semua nilai jarak gelomang sinarnampak. Sebagai contoh pada A = 550 nm kaitan tersebut gagal menjelaskan hasil ujikaji bersesuaian dengan ramalan teon. Wood el at. (1995) telahmenggunakan fungsi Fourier untuk menggantikan kaitan (2) di atas.Fungsi Fourier tersebut ditulis sebagai
a(x) = ao sin(kgx + <Po) + at sin(2kgx + 1>tl + a2 sin(3kgx + <P2) + ... (3)
ao, a" dan a2 ialah amplitud fungsi Founer.
222 Pertanika J. Sci. & Techno!. Vol. 4 No.2, 1996
Pencirian Plasmon-Polariton Permukaan Melalui Gandingan Parutan
KAEDAH DAN UJIKAJITiga parutan silika (disebut parutan a, b, dan c dalam ujikaji ini) yangdisediakan dengan teknik holografik digunakan dalam kajian ini. Salahsatu parutan (parutan c) adalah sarna dengan parutan yang digunakandalam kajian plasmon sebe!um ini (Mahmood 1995). Lapisan logam emasdisalutkan pada permukaan parutan dengan menggunakan teknikpenyejatan vakum ~ tekanan (10.6 torr). Lapisan emas dianggarkandalam julat sekitar 200 nm dengan profil permukaan berbentuk sinusoidal.Walau pun lapisan logam emas disalut dengan teknik yang sarna untukketiga-tiga parutan, tetapi parameter penyediaan adalah berbeza sedikitsebanyak antara satu sarna lain. Parameter tersebut (suhu, tekanan dankadar endapan) adalah diluar kawalan dan tidak penting untuk kajian inikerana kajian ini bertujuan untuk mengkaji ciri-ciri resonan plasmonpermukaan dan profil permukaan parutan yang disediakan dengan teknikholografik. Sinar alur laser (632.8 nm) terkutub P disinarkan dengan satahtuju tegak dengan permukaan parutan. Rajah 1 menunjukkan Susunanujikaji dan Rajah 2b menjelaskan orientasi kedudukan sampe! parutanrelatif kepada satah tuju. Struktur parutan silika bersalut lapisan logamemas yang digunakan dalam kajian ini ditunjukkan pada Rajah 2a. Ujikajidilakukan dengan mengukur keterpantulan optik sebagai fungsi kepadasudut tuju, e untuk nilai (¢ = 0, 10, 20, 30, 40, 45, 50, 80°. Sudut ¢ialah sudut putaran parutan relatifkepada satah tuju. Untuk setiap ¢ yang
Laser
--;---P
6)·····1'1··1···1-- 7M LJ PA P PO PK LJ
DJ, D2 Pengesan fotodiodS SampelLJ Lubang jarumPA Pemecah alur
PO Pencatas optikP PengkutubPK Penapis keamatan optikM Meja
Rajah 1 Susunan alat dan komponen optik
Pertanika J. Sci. & Technol. Vol. 4 No.2, 1996 223
W. Mahmood Mat Yunus
Sinar Tuju
Udara \ -2\
Normal
-Ie • e
1~ +1
Lapisan Emas
Silika
<a)
Rajah 2 (a). StrukJur pamtan silika bersalut lapisan logam emas '" 200 nm
Salah TUju ~ \)>"
(b)
Sinar Pant~lan
NormalGrating
(b) Pata,an kedadakan parotan relatif kepada satah taja
dipilih pencerapan data keterpantulan dilakukan untuk setiap pertambahan 8 = 0.1°. Kejituan putaran sudut 8 ialah 0.001°. Putaran mejasampe! dan pengesan dilakukan dengan kawalan komputer IBM/386.Dalam kes ini pengesan fotodiod berputar dua kali sudut putaran sampe!(8 - 28 putaran). Pada <jJ = 0 vektor parutan, kg = 21t(l..g o adalah selaridengan unjuran vektor ge!ombang foton, kx(foton) = k(foton} sin 8. Untuk<jJ oF 0, sistem tidak lagi berkeadaan simetri, akibatnya terjadi fenomenonpertukaran pengutuban P - S (Bryan-Brown et at. 1991; Elston et at. 1991).Pada keadaan ini, kspp boleh ditulis sebagai
kspp - JC; = k? sin2 8 - 2kkg sin 8 kos <jJ (4)
Untuk kes ini keterpantulan optik sebagai fungsi kepada sudut tuju diukurdengan meletakkan satu plat pengkutub didepan pengesan isyarat pantulan(Jihat Rajah 1). Plat pengkutub ini diputar sehingga medan e!ektrik alurlaser berkeadaan tegak dengan satah tuju. Keadaan ini membenarkanhanya alur cahaya terkutub S sahaja yang dikesan oleh pengesan fotodiod.
224 Pertanika J. Sci. & Techno!. Vol. 4 No.2, 1996
Pencirian Plasmon-Polariton Permukaan Mela1ui Gandingan Parutan
HASIL DAN PERBINCANGANPlot keterpantulan optik Rpp sebagai fungsi kepada sudut tuju untuk duadari parutan yang dikaji (parutan a dan parutan b) ditunjukkan padaRajah 3. Kedua-dua parutan tersebut menunjukan nilai Sc dan SSPPII) yanghampir sarna, dengan SSPP(2) yang berbeza satu sarna lain. rnimenunjukkan bahawa, kedua parutan tersebut mempunyai Ag yanghampir sarna tetapi berbeza profil permukaan, kerana eiri-eiri Sc danSSPPII) masing-masing ditentukan oleh Ag dan pemalar optik logam emas,SSPP(2) pula disamping bergantung kepada pemalar optik logam emas,eirie-eirinya juga ditentukan oleh bentuk profil permukaan parutan.
1.00 8e
(b)
~ 0.80 (a)~
'"-"'z.. 0.60 8SPP(2)0c•a 0.4-0 Ic• 18<E 0.20,"~
0.00I 8SPP(I),
10.0
r20.0 30.0 40.0
Sudut Tuju (8)
Rajah 3. Plot keterpantulan optik Rspp sebagaifungsi kepada sudut tuju, 8. Lengkung (a) dan(b) masing-masing merujuk kepada parutan (a) dan parntan (b) pada Jadual I
Rajah 4 ialah hasil ujikaji (parutan eJ yang menunjukkan plotketerpantulan optik R spp sebagai fungsi kepada sudut tuju, S, dengansudut putaran parutan dari <P = 0 hingga <p = 40°. Bila sudut tuju S berubah, komponen vektor gelombang sinar tuju yang selari denganpermukaan parutan, kx = (role) sin S juga berubah. kspp pada antaramuka lapisan logam emas dengan udara ditulis sebagai k,pp = (ro/e)[(EAuJI(EAu + 1)]1/2 dan teruja bila kaitan (I) dipenuhi. Data ujikaji pada sudut <p= 0 untuk ketiga-tiga parutan dianalisis berdasarkan teori parutan yangdikemukakan oleh Chandezon et al. (1982) dengan profil permukaanmengikut fungsi Fourier persamaan (3). Hasil analisis disenaraikan padaJadual 1. Parameter untuk parutan termasuk, kedalaman lurah, jaraklurah dan bentuk profil berbeza disebabkan oleh ketebalan lapisan logamemas yang berbeza. Perbezaan nilai pemalar dielektrik lapisan logam emasuntuk setiap grating adalah bermungkin disebabkan oleh parameterpenyediaan sampe! yang berbeza antara satu parutan dengan satu
Pertanika J. Sci. & Techno!. VoL 4 No.2, 1996 225
W. Mahmood Mat Yunus
1.00
0: 0.80•~
"'g,0
" 0.60~
"3
" .......<1> = 35°~
0-" 0.40B"~
<I>~ 5'0.20
5.00 15.00 25.00 35.00 45.00
Sudu t Tuju (e)
Rajah 4, Keterpantulan optik Rspp paTUtan (c) sebagai jungsi kepada sudut luju euntuk sudutputaran '" = .5" hingga 45'
JADUAL 1ilai parameter parutan dan pemalar dielektrik logam emas yang diperolehi dan
hasilUfitting" data ujikaji dengan teori parutan
Parameter Ag (nm) B, Bi ao al a,
a 800.6 .. 11.261 1.423 10.27 x 10'· ,1.08 X 10" -9,09 X 10,11
b 806.0 -11.782 1.274 2.97 x 10'· 3.08 X 10" -3.63 X 10"
e 800.0 -10.592 1.034 1.88 x 10'· -J.l6 X 10" 1.61 X 10"
parutan yang lain. Dari Rajah 4 dapat diperhatikan bahawa 8spp(l) dan8SPP(2) berganjak kepada sudut 8 yang lebih besar apabila sudut <I>
bertambah. Fenomena ini telah pun disahkan oleh kajian sebelum ini(Inagaki et al. 1983; Grygier et al. 1986; Fernandez et al. 1993). Nilaiketerpantulan optik, Ra(spp) juga turut betambah dengan pertambahannilai sudut <1>. Kedua-dua pertambahan ini (8spp dan Ro(spp») terhadapsudut <I> dijelaskan oleh plot Rajah 5 dan 6. Kedua-duanya tidak bersifatlinear dengan pertambahan sudut <1>. Pertambahan 8SPP(I) terhadapperubahan sudut putaran parutan, <j> adalah serupa dengan pertambahan8spp(l) terhadap pertambahan kedalaman lurah parutan yang dilaporkanoleh Pockrand (1976) dan Pockrand dan Raether (1977). Bila <I> > 0,terjadi fenomenon pertukaran pengutuban sinar yang dipantulkan olehpermukaan parutan. Rajah 7 menjelaskan keterpantulan optik umukpertukaran pengutuban P kepada S sebagai fungsi kepada sudut tuju, 8,
226 Pertanika J. Sci. & Technol. Vol. 4 No.2, 1996
Pencirian Plasmon-Polariton Permukaan Melalui Gandingan Parutan
35.00
30.00
;;:• 25.00.C'•~~~ 20.00w
'"
15.00
10.00 ......... , ........ " ......... " ........ ,...... '"o 20 40 60 80 100
<I> (darjah)
Rajah 5. Plot Judut reJonan minimum Rajah 4 Jebagai jungJi kepada Judut putaran pamtan
1.00.,
0.20",1~~.~~~,~.=~,~.~~~0.00 20.00 40.00 60.00 80.00
<I> (da<jah)
Rajah 6. Keterpantulan optik Rspp parutan (c) sebagai jungsi kepada Judut putaran parutan
untuk nilai <I> = 10, 20, 30, 40, 45, 50, 60, 70 dan 80°. Kecekapanmaksimum terhasil disekitar sudut <I> = (40 - 45)", ini serupa dengan hasilyang dilaporkan sebelum ini oleh Elston et at. (1991). Kecekapanpertukaran pengutuban P - S (dalan unit relati!) diplotkan terhadapsudut <1>, dan ditunjukkan oleh Rajah 8. Rajah 9 menunjukkan satu contohplot kerterpantulan optik (Rpp dan R ps) untuk alur pengutuban P-P danP-S pada nilai <I> = 45°. Dapat diperhatikan bahawa plot R pp melawansudut tuju e menghasilkan resonan minimum, manakala plot Rps sebagai
Pertanika J. Sci. & Technol. Vol. 4 No.2, 1996 227
w. Mahmood Mat Yunus
0.6
0.2 '" ~ 70'
0.1 "'~10'
'" ~ 80',
0.05.0 15.0 25.0 35.0
0.3
'" ~ 45'j~ 0.5
e-".~ 0.4o~'3ge-";;~
Sudut Tuju (8)
Rajah 7. Keterpantulan optik, Rspparutan (c) sebagaijungsi kepada sudut tuJu, () untuk sudutputaran () = HI' hingga 8f? ¢ = 4SO memberikan ni/ai pertukaran pengutuban P-Syang
maksimum
8.00
20 40 60
4> (daejah)
80
·RaJah 8. Keukapan pertukaran pengutuban P-S paTUtan silika btrsalut [ogarn tmas sebagaijungsikepada sudut putaran parutan, fjJ
fungsi kepada sudut tuju, e menghasilkan resonan maksimum. Kedua-duafenomenon ini berlaku pada sudut tuju, e = 18.70°, iaitu sudut resonanplasmon permukaan untuk parutan yang berkenaan.
228 Pertanika J. Sci. & Techno!. Vol. 4 No.2, 1996
Pencirian Plasmon·Polarilon Permukaan Melalui Gandingan Parulan
1.00
~0:0: 0.80~
eo.,:
0.60"-0c• 0.40.,C•e- 0.20~
";,::0.00
0 10 20 30
SudUI Tuju (8)
R pp
\
.. " ..40 50
Rajah 9. Contoh plot ket~rpQntulan optik Rpp dan Rps pada sudut putaran parutan 4S' sebagaijungsi kepada sudul luju
PENGHARGAANUjikaji ini dilakukan di Jabatan Fizik, University of Exeter, UK di bawahprogram cuti sabatikal. Pengarang mengucapkan terima kasih kepadaCommonwealth Fellowship dan Universiti Pertanian Malaysia keranamembiayai program ini. Pengarang juga ingin merakamkan penghargaankepada Prof.J.R. Sambles, E.L. Wood dan kumpulan saput tipis Universityof Exeter atas segala bantuan berupa teknikal dan program komputer.
RUJUKANBRYAN-BROWN, G.P., SJ. ELSTO and J.R. SAMBLES. 1991. Polarization conversion
through the excitation of electromagnetic mages on a grating. In Int. Con! on theApplication and Theory of Periodic Structure. SPIE 1545: 167-178.
BRYAN-BROWN, G.P., M.e.JORY, SJ. ELSTON andJ.R. SAMBLES. 1993. Diffracliongrating characterization via the excitation of surface plasmons. J. Mod. Opt. 40:959-964.
CHANDEZON, J., M.T. DUPUIS, G. CORNET and D. MAYSTRE. 1982. Mullicoatedgratings: a differential formalism applicable to the entire optical region. J. Opt. Soc.Am. 72: 839.
DOUGHERTY, G. 1993. A compact optoelectronic instrument with a disposable sensorbased on surface plasmon resonance. Meas. Sci. Technol. 4: 697-699.
ELSTON, S.]., G.P. BRYAN-BROWN andJ.R. SAMBLES. 1991. Polarization conversionfrom diffraction gratings. Phys. Reo. B. 44: 6393-6400.
FERNANDEZ, D., T.M. FISCHER and W. KMOLL. 1993. Surface-plasmon microscopywith grating couplers. Opt. Comm. 102: 49-52.
Pertanika J. Sci. & Te<:hnol. Vol. 4 No.2, 1996 229
W. Mahmood Mat Yunus
GRYGIER, R.K., W. KNOLL and H. COUFAL. 1986. Detection of plasmon surfacepolariton on periodic silver gratings with a pyroelectric calorimeter. Can. J. Phys.64: 1067-1069.
INAGAKI, T., M. MOTOSUGA, K. YUMAMORI and E.T. ARAKAWA. 1983.Photoacoustic study of surface plasmon resonance absorption in a diffractiongrating. Phys. Rev. B. 28: 1740-1744.
JORY, M.C., P.S. VUKVSIC andJ.R. SAMBLES. 1994. Development ofa prototype gassensor using surface plasmon resonance on gratings. Sensors and Actuators BI': 203209.
MAHMOOD MAT YUNUS, W. 1995. Perbandingan fenomena plasmon-polaritonpermukaan menggunakan kaedah gandingan prisma dan gandingan grating. ].Fidk Malaysia [in press].
POCKRAND,1. 1976. Resonance anomalies in the light intensity reflect at silver gratingswith dielectric coating. J. Phys. D: Appl. Phys. 9: 2423-2432.
POCKRAND, I. and H. RAETHER. 1977. Surface plasma oscillations at sinusoidal silversurfaces. Appl. Opt. 16: 1784-1786.
RAETHER, H. 1988. Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Grating. Berlin:Springer.
WOOD, E.L., J.R. SAMBLES, N.P. ROTTER and S.C. KITSO . 1995. Diffractiongrating charaterization using multiple-wavelength excitation of surface plasmonpolariton. J. Mod. Opt. 42: 1343-1347.
230 Pertanika J. Sci. & Techno!. Vol. 4 No.2, 1996
