SURFACE PLASMON RESONANCE Dian Ahmad Hapidin, Heldi Alfiadi, Retno Miranti, Zamzam Multazam, Hegy Aigista 10210104, 10210004, 10210055, 10210012, 10210020 Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia E-mail :
[email protected] Asisten
Tanggal Praktikum
: Ahmad Sidik (10209059) Adisetyo Panduwirawan (10209062) : 21-04-2013
Abstrak Plasmon adalah osilasi electron-elektron dalam suatu metal yang terkuantisasi. SPR adalah fenomena resonansi antara gelombang cahaya dengan electron-elektron dalam metal. Plasmon dapat terjadi apabila sudut prisma lebih kecil dari sudut kritis atau jika Kix=Ksp. Dalam percobaan ini akan diukur nilai reflektansi terhadap panjang gelombang dari sinar polikromatik pada sudut SPR tertentu. Kemudian akan dibandingkan nilai konstanta dielektriknya dari percobaan, dengan metode drude, serta dengan referensi dari Johnson Christin. Dari hasil percobaan diperoleh bahwa nilai reflektansi fluktuatif pada daerah panjang gelomang < 400 nm serta fenomena SPR diperoleh pada sudut di atas 39 derajat. Kata kunci : Plasmon, SPR, Model Drude
I.
Pendahuluan
Plasmon adalah osilasi yang terkuantisasi dari elektron-elektron dalam suatu medium konduktif. Dalam konsep kuantum, plasmon sering dianggap sebagai quasiparticle yang mirip dengan konsep foton dan fonon. SPR (Surface Plasmon Resonance) merupakan fenomena resonansi antara gelombang cahaya dan elektronelektron pada permukaan logam yang menghasilkan osilasi elektron-elektron di permukaan logam yang terkuantisasi. SPR dapat terjadi pada bidang batas metal/dielektrik ketika sebuah berkas sinar datang dari medium dielektrik dengan sudut datang yang lebih besar dari sudut kritis. Dalam kondisi seperti itu, di bidang batas persambungan dielektrik/logam akan terbentuk gelombang evanesen yang menembus masuk ke dalam medium logam. Jika kondisi resonansi terpenuhi akan terjadi resonansi antara gelombang evanesen dan elektron-elektron bebas di permukaan yang menghasilkan medan listrik local dan
penetrasi gelombang evanesen yang jauh lebih besar.
Gambar 1. Pembangkitan Gelombang SPR
2
Gelombang evanesen adalah gelombang pada bidang batas dielektrik yang mengalami penurunan intensitas secara eksponensial dari jarak dimana gelombang tersebut terbentuk. 1 Syarat kondisi terjadinya SPR yakni apabila Kix = Ksp atau vektor gelombang cahaya yang merambat sepanjang bidang batas sama dengan vector gelombang plasmon permukaan (SP). Vektor gelombang SP hanya ditentukan oleh tetapan dielrktrik dari metal dan bahan dielektriknya yang mempunyai hubungan
dispersi, sudut dating cahaya haruslah memenuhi persamaan berikut
(1) Keterangan : εm : Tetapan dielektrik metal εd : Tetapan dielektrik bahan dielektrik atau dengan ungkapan lain dapat ditulis juga (
) (
)
(2)
np adalah indeks bias prisma yang bernilai 1.505. Permisivitas bahan metal yang digunakan dapat ditentukan dengan menggunakan model Drude sehingga didapatkan persamaan, Gambar 2. Kurva dispersi
2
Ada uda cara yang umum digunakan untuk membangkitkan SPR. Cara yang pertama menggunakan konfigurasi Otto dan cara yang kedua menggunakan konfigurasi Kretschmann. Pada konfigurasi Otto, lapisan dielektrik berada di antara prisma dan lapisan metal. Sedangkan pada konfigurasi Kretschmann, lapisan logam berada kontak langsung dengan prisma sedangkan lapisan dielektriknya menutupi lapisan logam tersebut. Pada praktikum ini digunakan konfigurasi Kretschmann.
(3)
Dimana ωp merupakan frekuensi angular dari bahan yang digunakan (dalam kasus ini dari perak atau emas). Skema kerja pembangkitan SPR secara garis besar sebagai berikut,
Gambar 3. Konfigurasi Otto (kiri) dan Kretschmann (kanan)
Dari konfigurasi kretschmann, Kx dapat kita cari menggunakan persamaan
Hal ini terjadi karena gelombang cahaya yang datang mengalami pemantulan internal total. Agar terjadi perpotongan kurva
Gambar 4. Susunan alat pembangkitan gelombang SPR
Berkas cahaya putih berasal dari lampu tungsten diarahkan ke prisma melewati polarisator, slit dan pinhole. Setelah melewati prisma, berkas cahaya ditangkap dengan serat optik dan diukur dengan
spektrometer CCD dengan bantuan komputer. Sudut datang cahaya diatur dengan mengubah sudut goniometer, yang dapat dilakukan secara manual atau lewat komputer. Karena pembangkitan SPR menggunakan prisma, ada perbedaan sudut pantul dari prisma ke detector dan sudut pantul pada bidang belakang prisma akibat pembiasan seperti gambar dibawah,
Gambar 5. Perambatan cahaya pada prisma
Dengan demikian hubungan antara sudut pantul prisma θp dan sudut datang pada bidang batas θi ditentukan dari persamaan berikut,
(4)
II.
III.
Data dan Pengolahan
Pada emas nilai ωp = (2.068 x 2π) x 1015 εd = 2.25 np = 1.5 (untuk kaca) Tabel 1 . Data Percobaan Reflektansi terhadap panjang gelombang
Data ke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Lambda 868.56 766.44 738.83 714.57 695.46 679.94 667.04 654.76 642.77 625.89 610.31 599.52 588.69 582.03 575.36 568.67 563.74
R 10.775 8.366 6.557 5.304 4.394 3.865 3.542 3.266 3.244 3.136 3.475 3.798 4.268 4.798 5.474 6.139 6.884
Metode Percobaan
Konfigurasi yang digunakan dalam praktikum ini yaitu konfigurasi kretshmann. Sumber cahaya polikromatik berasal lampu tungsten. Susunan alat nya yaitu sumber cahaya polikromatik- polarisator-slit-pinhole – prisma-lempengan emas-dielektrik. Hasil dari SPR dibaca oleh spectrometer CCD dan dikirim ke software yang sudah terinstall di computer. Langkah pertama yaitu mencari sudut saat fenomena SPR mulai terjadi dengan cara mengubah-ubah sudut prisma dan CCD. Biasanya jika sudah muncul SPR, sudut CCD adalah dua kalinya sudut prisma. Kemudian data yang diperoleh pada spectral data di paste pada Microsoft Excell. Variasikan sudut prisma dan sudut detector dan paste lagi data nya pada Excell, hingga memperoleh sekitar 15 data sudut saat SPR terjadi.
Tabel 2 . Data lambda yang dipakai dalam perhitungan εm
No
λ(nm)
R
1 2 3 4 5
868.56 766.44 714.57 695.46 563.74
10.775 8.366 5.304 4.394 6.884
Tabel 4 . Hasil perhitungan K
λ1 λ2 λ3 λ4 λ5
Kx 7.12E+06 8.12E+06 8.76E+06 9.03E+06 1.18E+07
Ksp 7.12E+06 8.12E+06 8.76E+06 9.03E+06 1.18E+07
Gambar 6. Kurva reflektansi terhadap panjang gelombang minimum berbeda-beda
Pada kurva gambar 6 terlihat untuk beberapa sudut dating cahaya yang berbeda, cahaya yang diserap juga pada panjang gelombang yang berbeda. Jenis cahaya monokromatik yang diserap dapat dibandingkan terhadap referensi sinar monokromatik sebagai berikut, ungu biru hijau kuning jingga merah
: 380-450 : 450-495 : 495-570 : 570-590 : 590-620 : 620-750
nm nm nm nm nm nm
Gambar 7. Kurva Dispersi Kix dan Ksp
Tabel 2 . Hasil perhitungan sudut datang
λ1 λ2 λ3 λ4 λ5
λmin(m) 8.6856E-07 7.6644E-07 7.1457E-07 6.9546E-07 5.6374E-07
θp 39 39.5 40 40.25 45.25
θi 41.00407 41.33647 41.66902 41.83535 45.16667
Tabel 3 . Hasil perhitungan εm, εdrude, εjohnson
λ1 λ2 λ3 λ4 λ5
εm
εdrude
εjohnson
1.700721 1.741013 1.782217 1.803168 2.276333
-39.4759 -30.5176 -26.3959 -24.9502 -16.0512
-3.02E+01 -2.08E+01 -1.66E+01 -1.51E+01 -6.78E+00
Gambar 8. Kurva perbandingan konstanta dielektrik percobaan, drude, dan Johnson christy
IV.
Analisis
Peristiwa surface plasmon resonan adalah terjadinya resonansi antara gelombang cahaya dengan electron-elektron pada permukaan suatu logam. Gelombang cahaya yang ditembakkan ke prisma pada sudut tertentu akan menimbulkan gelombang evenesen, gelombang evenesen ini adalah gelombang yang merambat pada bidang batas dielektrik dan metal yang intensitasnya menurun secara eksponensial
terhadap jarak dari tempat ia terbentuk. Gelombang evanesen inilah yang berinteraksi dengan electron bebas di permukaan logam dan menimbulkan medan listrik local. Pada praktikum ini, fenomena SPR terjadi pada sudut 39 derajat. Hal ini karena pada sudut tersebut nilai Kix=Ksp seperti yang dapat dilihat pada table 4. Selain itu SPR juga akan terjadi pada sudut kritis, yaitu sudut dimana semua gelombang cahaya di refleksikan(tidak ada transmitansi). Pada saat percobaan warna dari cahaya polikromatik berubah dari warna biru ke merah seiring dengan perubahan sudut prisma nya. Dapat dilihat pada gambar 6, sudut yang berbeda membuat penyerapan pada panjang gelombang yang berbeda pula. Hal ini karena plasmon itu ada pada bidang logam, sehingga jika kita lihat konfigurasi Kretschmann pada gambar 3, sinar dating harus diproyeksikan dulu sehingga muncul sin(θ), jika nilai θ berubah maka nilai Kix juga berubah sehingga menyebabkan gelombang yang diserap juga berubah. Pada gambar 6, semakin besar sudut dari prisma maka gelombang yang diserap berada pada rentang panjang gelombang yang lebih tinggi. hal ini karena jika θ semakin besar maka nilai Kix juga semakin besar, hal ini akan menyebabkan Ksp yang diserap juga berubah, menyesuaikan dengan ni lai Kix.
Pada sudut diatas 50 derajat, fenomena SPR tidak terlihat lagi, hal ini karena gelombang yang diserap berada pada rentang gelombang infrared sehingga mata pengamat tidak dapat mendeteksinya. Kemudian pada gambar 6 terlihat bahwa data pada panjang gelombang lebih kecil dari 400 nm semakin tidak stabil dan fluktuatif. Ketidakstabilan pembacaan data pada rentang ini disebabkan oleh factor spectrometer CCD. Spektrometer CCD tidak tidak sensitive pada daerah Ultraviolet sehingga data pada daeah UV akan fluktuatif. Kurva dispersi plasmon dan gelombang cahaya disajikan pada gambar 7. Dapat dilihat bahwa kurva disperse gelombang cahaya dan plasmon memiliki kemiringan yang berbeda, hal ini menyebabkan kedua kurva ini akan saling berpotongan. Pada gambar 7 terlihat bahwa syarat Kix=Ksp telah terpenuhi untuk menggenerate SPR.
Pada gambar 8 terlihat bahwa kurva yang dihasilkan dari model drude memiliki persamaan dengan model Johnson christen. Kedua kurva ini hanya dibedakan oleh suatu konstanta saja. Dalam model drude electronelektron dalam metal dianalogikan seperti lautan, dan atom-atom (ion) penyusun metal berada di sekitarnya. Electron-elekton ini bebas tanpa terikat dengan inti atom. Kemudian untuk kurva hasil percobaan nilainya relative konstan. V.
VI.
Kesimpulan Fenomena SPR pada percobaan ini terjadi pada sudut sekitar 39 derajat. Pembacaan reflektansi pada panjang gelombang lebih kecil dari 400 nm memiliki nilai yang fluktuatif dan tidak stabil, hal ini dikarenakan factor kekurangan CCD. Fenomena SPR terjadi jika Kix=Ksp dan pada sudut kritis atau sudut dimana transmitansi gelombang cahaya nol.
Referensi
[1]http://www.ece.rice.edu/~daniel/262/pdf /lecture14.pdf Diakses pada : 25 April 2013, pukul 16.07 WIB [2]http://www.bionavis.com/technology/sp/ Diakses pada : 25 April 2013, pukul 15.08 WIB [3] P. B. Johnson and R. W. Christy. Optical Constant of the Noble Metals . Department of Physics and Astronomy,Dartmounth College. 1972.
