Apa itu Plasmon?

Minggu lalu saya diberi tugas untuk mempresentasikan sebuah jurnal yang menurut saya sangat sulit. Sulit karena terdapat banyak istilah terkait fisika sedangkan fisika bukanlah bidang saya. Salah satu istilah yang mengusik saya adalah "plasmon". Setelah bulan lalu sempat belajar tentang eksiton dan telah dibahas sedikit di sini, sekarang saya dihadapkan dengan plasmon. Akhirnya dengan waktu tinggal beberapa hari saya mencari informasi mengenai plasmon. Ternyata cukup sulit bagi saya untuk memahaminya. Mungkin karena ilmu fisika saya yang payah, atau mungkin juga karena pengaruh usia yang sudah uzur yang menjadikan saya sulit memahami hal-hak yang bersifat baru. 

Pengertian plasmon yang pertama kali saya dapat di internet: "plasmon adalah kuantum dari osilasi plasma". Respon saya saat membaca itu adalah "wow begitu dahsyat pengertiannya" hingga membuat saya pusing dan mau muntah (lebay mode on). Untuk istilah kuantum okelah saya sedikit mengerti tentang itu, namun istilah plasma dan osilasi itu yang kurang enak didengar di telinga saya. Setelah browsing sana sini ternyata osilasi itu sama dengan vibrasi atau getaran, walaupun sebenarnya "getaran" merupakan salah satu bentuk dari osilasi. Namun istilah "getaran" terasa lebih pas di hati. Mungkin karena buku-buku SD hingga SMA saya dulu semua memakai istilah getaran. Maka petualangan pencarian pemahaman dimulai dari istilah "plasma". Oke saya langsung saja saya tuliskan kembali beberapa pemahaman baru saya tentang plasmon yang saya dapatkan dari internet. 

Plasma merupakan bentuk keempat dari materi. Kita mungkin telah mengenal dengan baik ketiga bentuk materi yang lain, yaitu padat, cair dan gas. Secara sederhana kita dapat mengartikan plasma sebagai gas yang terionisasi. Karena terionisasi inilah plasma mempunyai sifat yang berbeda dengan gas netral. Walaupun bermuatan, namun secara keseluruhan plasma bersifat netral karena tersusun atas ion positif dan elektron yang bermuatan negatif dengan jumlah yang sama. 

Ternyata sifat plasma terdapat pada logam dan semikonduktor terdoping walaupun bentuk keduanya adalah padatan. Hal ini karena mereka mengandung ion-ion positif dengan posisi tetap pada kisi kristal dan elektron-elektron bebas yang dapat bergerak sepanjang kisi kristal (ingat model Drude?).

Proses terbentuknya plasma pada logam dapat diilustrasikan dengan gambar berikut:

Gambar 1. Terjadinya plasmon pada logam

Pada kondisi keseimbangan, elektron bebas tersebar membentuk awan elektron yang menyelubungi muatan positif dari inti atom. Jumlah muatan negatif sama dengan jumlah muatan positif sehingga secara keseluruhan logam bersifat netral (Gambar 1a). Misalkan kita mengganggu kondisi keseimbangan dengan menempatkan potongan logam itu di dalam medan listrik yang mengarah ke kiri. Maka elektron bebas akan bergerak ke kanan (Gambar 1b). Apabila medan listrik dihilangkan, maka elektron bebas akan bergerak ke kiri karena adanya gaya pemulih (muatan positif netto pada bagian kiri). Namun pergerakan elektron bebas akan melampaui kondisi keseimbangan sehingga elektron bebas akan terakumulasi di bagian kiri (Gambar 1c). Sekali lagi elektron bebas akan kembali bergerak ke kanan karena adanya gaya pemulih (muatan positif netto pada bagian kanan). Akibatnya elektron bebas akan bergerak bolak-balik melalui titik keseimbangan. Dengan kata lain, elektron mengalami osilasi ke kiri dan ke kanan relatif terhadap muatan positif inti atom yang tetap. Osilasi ini yang disebut dengan osilasi plasma.

Jadi secara singkat plasmon dapat didefiniskan sebagai osilasi kolektif dari elektron valensi logam. Disebut kolektif karena ini merupakan pergerakan gabungan elektron-elektron, bukan hanya disebabkan oleh pergerakan elektron tunggal. Karena berosilasi, tentunya plasmon mempunyai frekuensi yang besarnya tergantung pada densitas elektron bebas yang dipunyai oleh logam itu.

dimana ω_p = frekuensi plasmon, n_e = densitas elektron, e = muatan elektron, m* = massa efektif elektron dan ε₀ = permitivitas ruang bebas.

Plasmon menentukan sifat optik dari logam. Cahaya yang mempunyai frekuensi lebih rendah daripada frekuensi plasmon akan dipantulkan karena elektron pada logam akan menahan (screen) medan listrik dari cahaya. Sebaliknya cahaya yang mempunyai frekuensi di atas frekuensi plasma akan diteruskan karena elektron tidak cukup cepat untuk merespon medan listrik dari cahaya. Pada kebanyakan logam, frekuensi plasma berada pada daerah ultraviolet sehingga membuat logam berkilau (reflektif) terhadap sinar tampak. Pada Gambar 2 terlihat bahwa reflektifitas berkurang drastis saat energi foton melewati energi plasmon.

Gambar 2. Reflektivitas aluminum sebagai fungsi dari energi foton.

Pada beberapa logam seperti tembaga, perak dan emas, terdapat transisi antar pita d ke s yang bercampur dengan resonansi plasmon dengan cara tertentu sehingga menggeser resonansi plasmon ke energi lebih rendah hingga pada spektrum cahaya tampak.

Resonansi Plasmon Permukaan (Surface Plasmon Resonance = SPR)
Ketika nanopartikel emas (AuNPs) menyerap cahaya, medan elektromagnetik dari cahaya menyebabkan polarisasi elektron pita konduksi (elektron bebas) pada permukaan nanopartikel. Karena medan elektromagnetik cahaya berosilasi maka polarisasi elektron juga mengalami osilasi. Osilasi ini dinamakan plasmon permukaan (surface plasmon). Karena plasmon permukaan mempunyai frekuensi yang sama dengan frekuensi cahaya maka disebut resonansi plasmon permukaan (SPR).

Gambar 3. Osilasi plasmon permukaan pada nanopartikel emas

Frekuensi SPR sangat tergantung ada ukuran dan bentuk nanopartikel. Pada nanopartikel emas yang berbentuk bola hanya ada satu frekuensi SPR sekitar 520 nm. Pada emas nanorod terdapat dua frekuensi SPR yang berhubungan dengan pita transversal dan longitudinal.

Gambar 4. Osilasi elektron pada nanorod

Frekuensi plasmonik pada nanopartikel sangat sensitif terhadap perubahan lingkungannya sehingga dapat digunakan sebagai sensor.

Gambar 5. Ilustrasi konsep dasar yang melandasi sensor analit dengan material nanoplasmonik. Pergeseran posisi puncak plasmon pada spektra ekstinsi terjadi setelah analit berinteraksi dengan ligan yang berada pada permukaan nanopartikel.

http://www.stratech.co.uk/cytodiagnostics-inc/gold-nanoparticle-properties
http://rsfs.royalsocietypublishing.org/content/3/3/20130006
https://www.ifm.liu.se/applphys/molphys/research/biosensing_using_nanopart/index.xml
Fox, Mark. Optical Properties of Solids. Oxford University Press.