SURFACE PLASMON RESONANCE Pribadi Mumpuni Adhi, Rahmat Mukti Ibrahim, Panji Achmari, Almas Hilman Muhtadi, Zamzam Ibnu Sina 10208069, 10208043, 10208040, 10208068, 10208098 Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia Email : cometmetalics@gmail.com Asisten : (Putu Eka Pramudita/10207048) Tanggal Praktikum : (23-04-2011) Abstrak Surface Plasmon Resonance (SPR) adalah osilasi yang terkuantisasi dari elektron-elektron dari medium konduktif. Apabila suatu logam disinari dengan gelombang cahaya, bila kondisi k x = k sp maka fenomena SPR dapat terjadi dan dapat diamati. Pada praktikum ini digunakan prisma agar SPR dapat diamati, sehingga dapat ditentukan kurva dispersinya. Untuk bahan metal didapatkan nilai konstanta dielektrik (ε) bernilai negatif karena ω < ω p. Kata Kunci : Dielektrik, Konfigurasi Kretschmann, Prisma I. Pendahuluan SPR (Surface Plasmon Resonance) merupakan fenomena resonansi antara gelombang cahaya dan elektron-elektron 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 lokal dan penetrasi gelombang evanesen yang jauh lebih besar. Syarat kondisi terjadinya SPR yakni apabila K ix = K sp atau vektor gelombang cahaya yang merambat sepanjang bidang batas sama dengan vektor gelombang plasmon permukaan (SP). Vektor gelombang SP hanya ditentukan oleh tetapan dielrktrik dari metal dan bahan dielektriknya yang mempunyai hungungan K sp = c d m d m = 2 d m d m (1) Gambar 2. Kurva Dispersi [2] Gambar 1. Pemantulan Cahaya Pada Dua Material yang berbeda [1] Dari kurva terlihat bahwa kondisi K ix = K sp tidak pernah terpenuhi. Fenomena SPR tidak dapat teramati hanya dengan menyinari suatu bidang batas metal/dielektrik. Digunakan prisma sehingga
kurva dispersi gelombang cahaya dapat diubah kemiringannya dan menghasilkan suatu perpotongan dengan kurva dispersi gelombang SPR. m =1 2 p (6) 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. Dimana ω p merupakan frekuensi angular dari bahan yang digunakan (dalam kasus ini dari perak atau emas). II. Metode Percobaan Disusun alat percobaan seperti pada gambar berikut ini Gambar 3. Konfigurasi Otto dan Kretschmann Kx dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut k x = c p sin i (2) Hal ini terjadi karena gelombang cahaya yang datang mengalami pemantulan internal total. Agar terjadi perpotongan kurva dispersi, sudut datang cahaya haruslah mememnuhi persamaan berikut sin i = 1 p m u m u (3) atau dapat juga ditulis menjadi 1 p sin 2 i = 1 m 1 d (4) dengan θ i dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut i =45 arcsin 0 sin 450 p (5) n p n p merupakan indeks bias prisma yang bernilai 1.505. Permisivitas bahan metal yang digunakan dapat ditentukan dengan menggunakan model Drude [3] sehingga didapatkan persamaan Gambar 4. Susunan Alat Digunakan dua bahan metal yaitu perak dan emas. Konfigurasi yang digunakan adalah konfigurasi Kretschmann. Kemudian dengan menggunaka bantuan software komputer bisa didapatkan spektrum dari SPR dengan mengkombinasikan sudut prisma yang berbedabeda. III. Data dan Pengolahan Menggunakan bahan perak: ω p = (2.321 x 2π) x 10 15 λ min (nm) θ p θ i 830.53 42.50 43.34 735.85 43.00 43.67 677.56 43.50 44.00 632.79 44.00 44.34 599.52 44.50 44.67 575.01 45.00 45.00 553.48 45.50 45.33 535.02 46.00 45.66 508.19 47.00 46.33
487.65 48.00 46.99 470.61 49.00 47.66 457.51 50.00 48.32 435.56 52.00 49.64 421.96 54.00 50.97 410.52 56.00 52.28 Tabel 1. Data Praktikum dengan Bahan Perak Panjang gelombang minimum dapat ditentukan dengan mencari di saat nilai intensitasnya minimum, seperti pada gambar berikut ini. Gambar 5. Cara Mencari Panjang Gelombang Minimum Dengan memplot antara vektor gelombang k x dengan ω maka dapat dihasilkan kurva dispersi yang tersaji pada gambar (6). ω 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 500 550 600 650 700 750 800 5.00E+015 4.50E+015 4.00E+015 3.50E+015 3.00E+015 2.50E+015 2.00E+015 1.50E+015 1.00E+015 5.00E+014 0.00E+000 5.00E+006 1.00E+007 1.50E+007 2.00E+007 k Gambar 6. Kurva Dispersi Bahan Perak Dengan menggunakan persamaan (4) dapat ditentukan permisivitas bahan dielektrik dalam kasus ini adalah udara. Sehingga didapatkan nilai ε udara = 1/1.021 = 0.979 Gambar 7. Grafik untuk Menentukan ε d pada Percobaan dengan Bahan Perak. Menggunakan bahan emas ω p = (2.068 x 2π) x 10 15 λ min (nm) θ p θ i 883.14 42 43.01 824.81 42.25 43.17 786.93 42.5 43.34 752.35 42.75 43.51 729.22 43 43.67 706.88 43.25 43.84 691.08 43.5 44.00 675.53 43.75 44.17 662.61 44 44.34 652.37 44.25 44.50 634.52 44.75 44.83 618.98 45.25 45.17 596.73 46.25 45.83 571.14 48 46.99 541.78 52 49.64 Tabel 2. Data Praktikum dengan Bahan Emas Dengan memplot antara vektor gelombang k x dengan ω maka dapat dihasilkan kurva dispersi yang tersaji pada gambar (8).
ω 4.00E+15 3.50E+15 3.00E+15 2.50E+15 2.00E+15 1.50E+15 1.00E+15 5.00E+14 0.00E+00 6000000 8000000 10000000 12000000 14000000 k Gambar 8. Kurva Dispersi Bahan Emas Dengan menggunakan persamaan (4) dapat ditentukan permisivitas bahan dielektrik dalam kasus ini adalah udara. Sehingga didapatkan nilai ε udara = 1/0.284 = 3.521 dengan menggunakan bahan perak maupun emas tidak sesuai dengan referensi. Pada referensi nilai permisivitas udara adalah 1. Hal ini disebabkan karena bentuk dari grafik yang dihasilkan tidak linear. Gradien garis juga apabila sesuai dengan persamaan (4) nilainya harusnya adalah 1, tetapi niali yang didapatkan tidak sama dengan 1. Oleh karena itu nilai permisivitas yang didapatkan tidak sesuai. Bila dibandingkan antara gambar (7) dan gambar (9), maka gambar (7) bentuknya lebih linear dibandingkan dengan gambar (9). Oleh karena itu hasil yang didapatkan pada percobaan dengan perak lebih mendekati referensi. Ketika medium 2 adalah bahan metal. Pada bahan metal mengandung banyak elektron bebas sehingga konsekuensinya frekuensi angular ω < ω p dan konstanta dielektriknya ε m nilainya menjadi negatif. Secara umum hal ini mengimplikasikan ketika ω < ω p maka tidak ada medan elektromagnetik yang dapat merambat pada bahan meta [2] l. Gambar 9. Grafik untuk Menentukan ε d pada Percobaan dengan Bahan Emas IV. Analisis Bentuk kurva dispersi terlihat pada gambar (6) dan (8). Bentuknya memang tidak persis seperti pada referensi gambar (2), tetapi melihat dari bentuknya dapat dianalisis bahwa kurva dispersi yang didapatkan hanya sebagian kecil tidak secara keseluruhan. Bentuk grafiknya melengkung seperti itu karena grafiknya tidak linear. Apabila linear maka gradien garis adalah kecepatan cahaya (c), sedangkan pada SPR nilai verktor gelombang (k x ) dipengaruhi oleh sin (θ i ) seperti pada persamaan (2). Nilai permisivitas udara yang didapatkan baik V. Kesimpulan Dari praktikum ini dapat daiambil kesimpulan : 1. SPR dapat terjadi apabila k x = k sp 2. Prisma digunakan agar kurva gelombang SPR dapat berpotongan dengan kurva gelombang cahaya 3. Hasil yang didapatkan untuk permisivitas udara tidak tepat karena bentuk kurva yang dihasilkan tidak linear. 4. Pada bahan metal didapatkan nilai konstanta dielektrik bernilai negatif. Pustaka [1]Schasfoort and Tudos (editor). 2008.Handbook of Surface Plasmon Resonance. RSC Publishing [2] Raether, H. 1986. Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and On Gratings. Springer [3] Yeh, Pochi. Optical Waves in Layered Media. John Wiley & Sons, Inc