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Plasmons de surface : principes physiques et applications

Auteur(s) : Christophe CAUCHETEUR

Date de publication : 10 juil. 2014

Relu et validé le 19 mars 2021

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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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ABSTRACT

Surface Plasmons : Physical Principles and Applications

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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MOTS-CLÉS

nanoparticules | Plasmons de surface | Interface métallique | Réfractométrie | Biocapteur

KEYWORDS

nanoparticles | Surface Plasmons | Metallic interface | Refractometry | Biosensing

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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).
(3) - WANGSNESS (R.K.) - Electromagnetic fields. - John Wiley & Sons. New-York, USA (1986).
(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

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1 Événements

1 Événements

Congrès : META – International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics. Conférence organisée chaque année à un endroit différent http://metaconferences.org

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Sommaire
Sommaire détaillé

INTRODUCTION

1 - PERSPECTIVE HISTORIQUE ET DÉFINITION DES PLASMONS DE SURFACE

1.1 - Perspective historique
1.2 - Définition, modélisation et excitation des plasmons de surface
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2 - CONDITIONS D'EXCITATION DES PLASMONS DE SURFACE À UNE INTERFACE PLANAIRE MÉTAL-DIÉLECTRIQUE

2.1 - Équations de Maxwell
2.2 - Équations constitutives
2.3 - Conditions aux limites
2.4 - Équations d'onde
2.5 - Plasmons à une seule interface
2.6 - Génération de plasmons de surface
2.7 - Systèmes multicouches
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3 - TECHNIQUES D'EXCITATION DES PLASMONS DE SURFACE À UNE INTERFACE PLANAIRE MÉTAL-DIÉLECTRIQUE

3.1 - Couplage par prismes
3.2 - Couplage par réseaux de diffraction
3.3 - Couplage par guides d'onde
3.4 - Couplage par fibres optiques
3.5 - Influence du choix du métal
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4 - PLASMONS DE SURFACE LOCALISÉS

4.1 - Taille des particules
4.2 - Forme des particules
4.3 - Milieu environnant
4.4 - Couplage interparticule

5 - QUELQUES APPLICATIONS

5.1 - Réfractométrie fine

$Évolution de la résonance plasmonique dans le cas de l'interrogation angulaire pour deux valeurs de l'indice de réfraction du diélectrique externe$
5.2 - Biocapteurs
5.3 - Spectroscopie Raman exaltée de la surface
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6 - CONCLUSION

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