Modul Praktikum Eksperimen Fisika II (KK-FMF)

Surface Plasmon Resonance

1. Tujuan

a. Mengamati dan menganalisis terjadinya surface plasmon resonance pada perbatasan

logam/dielektrik.

b. Menggambarkan kurva dispersi surface plasmon dari percobaan.

c. Menentukan permitivitas emas sebagai fungsi frekuensi.

2. Konsep Dasar

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. Surface plasmon resonance (SPR) 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 logam/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 logam yang menghasilkan

medan listrik lokal dan penetrasi gelombang evanesen yang jauh lebih besar. Gambar 1

mengilustrasikan gelombang SPR dan penetrasi gelombang SPR tersebut ke dalam lapisan dielektrik.

Gambar 1. Ilustrasi gelombang SPR dan penguatan medan listrik dari gelombang evanesen, yang

menghasilkan penetrasi gelombang jauh ke dalam medium dielektrik.

Syarat kondisi terjadinya SPR adalah ix spK K , yakni vektor gelombang cahaya yang merambat

sepanjang bidang batas sama dengan vektor gelombang plasmon permukaan (SP). Vektor

gelombang SP hanya ditentukan oleh tetapan dielektrik dari metal dan bahan dielektriknya, yang

diberikan oleh hubungan

2d m d msp

d m d m

Kc

(1)

dengan m adalah tetapan dielektrik metal dan d adalah tetapan dielektrik bahan dielektriknya.

Dalam hal penjalaran gelombang dalam ruang bebas, bilangan gelombang akan berbanding

lurus terhadap frekuensi. Dengan kata lain, kurva dispersi penjalaran gelombang ini berupa kurva

linier. Akan tetapi, kurva dispersi gelombang SPR ternyata tidaklah linier, seperti ditunjukkan oleh

Gb. 2. Dari gambar tersebut, jelas terlihat bahwa tidak terjadi perpotongan antara kurva dispersi

gelombang bebas dan kurva dispersi gelombang SPR, yakni kondisi ix spK K tidak pernah terjadi.

Fenomena SPR tidak dapat teramati hanya dengan menyinari suatu bidang batas metal/dielektik.

Oleh karena itu, diperlukan suatu cara agar kedua kurva tersebut dapat berpotongan. Salah satu cara

yang bisa dilakukan adalah dengan menggunakan prisma sehingga kurva dispersi gelombang cahaya

dapat diubah kemiringannya dan menghasilkan suatu perpotongan dengan kurva dispersi

gelombang SPR, seperti diilustrasikan dalam Gb. 2 tadi.

Gambar 2. Kurva dispersi gelombang cahaya dan SPR.

Ada banyak cara untuk membangkitkan SPR, tetapi cara yang paling umum adalah menggunakan

prisma sebagai media pengkopel cahaya datang ke permukaan logam. Ada dua macam cara

konfigurasi yang paling sering digunakan, yaitu konfigurasi Otto dan Kretschmann. Pada konfigurasi

Otto, lapisan dielektrik berada di antara prisma dan lapisan metal. Cahaya datang dari prisma dan

kemudian masuk ke dalam medium dielektrik sehingga menghasilkan gelombang evanesen di bidang

batas lapisan dielektrik/ logam. Gelombang SPR terbentuk pada bidang batas tersebut jika kondisi

resonansi di atas terpenuhi, seperti ditunjukkan dalam Gb. 3. Pada konfigurasi Kretschmann, lapisan

logam berada kontak langsung dengan prisma sedangkan lapisan dielektriknya menutupi lapisan

logam tersebut. Dengan konfigurasi ini, gelombang SPR terbentuk pada bidang batas metal/ lapisan

dielektrik di sisi sebelah luar dari lapisan metalnya, seperti dalam Gb. 4. Konfigurasi Kretschmann ini

sering dipakai untuk keperluan pendeteksian dimana lapisan sampel yang ingin diukur dapat

langsung ditaruh di atas lapisan emas. Dalam hal ini, lapisan sampel tersebut ini dianggap sebagai

lapisan dielektriknya.

Gambar 3. Konfigurasi Otto. Gambar 4. Konfigurasi Kretschmann.

Ketika gelombang cahaya datang mengalami pemantulan internal total, gelombang evanesen

menjalar pada bidang batas prisma/lapisan dielektrik dengan vektor gelombang.

sinx p ik nc

(2)

Agar terjadi perpotongan kurva dispersi ( x SPk k ), sudut datang cahaya haruslah memenuhi

1

sin d mip d mn

. (3)

Sistem pembangkitan SPR dan pengukuran spektrumnya ditunjukkan dengan diagram skematik

sederhana dalam Gb. 5. Susunan lengkap untuk pembangkitan SPR dengan menggunakan prisma

pengkopling ini dapat dilihat dalam Gb. 6. 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.

Gambar 5. Diagram sederhana sistem pembangkitan gelombang SPR dan pengukuran

spektrumnya.

Gambar 6. Susunan alat untuk pembangkitan gelombang SPR dengan menggunakan prisma

pengkopling dan pengukuran spektrumnya dengan spectrometer CCD yang digunakan dalam

praktikum ini.

Terdapat perbedaan sudut antara sudut pantul dari prisma ke detektor dan sudut pantul pada

bidang belakang prisma akibat pembiasan pada bagian depan prisma, dapat dilihat pada Gb.7.

Gambar 7. Skema perambatan dan pemantulan cahaya pada prisma

Alas prisma berbentuk segitiga siku-siku sama kaki. Hubungan antara sudut pantul prisma dan

sudut datang pada bidang batas ditentukan dari persamaan berikut

(4)

3. Metode Percobaan

Tugas praktikum adalah mencoba membangkitkan gelombang SPR pada lapisan emas di atas

kaca dan mengukur spektrumnya. Percobaan terdiri 2 macam, yaitu

Percobaan I: dengan menggunakan laser dan powermeter

Percobaan II : dengan menggunakan lampu polikromatik dan spektrofotometer CCD

Lapisan emas ditempelkan pada prisma sesuai dengan konfigurasi Kretschmann pada Gb. 4.

Prisma diletakkan pada meja bermotor yang dapat berputar. Susunan alat diletakkan pada meja

optik sesuai dengan Gb. 6. Motor 1 terhubung dengan detektor dan motor 2 terhuung dengan

prisma.

Perhatian!

a. Setup eksperimen SPR sensitif terhadap guncangan. Hati-hati jangan sampai

menyenggol/ menggeser setup alat di meja optik! Setup ulang peralatan membutuhkan waktu yang lama. Jika terdapat kesalahan praktikan yang menyebabkan

keadaan resonansi menjadi tidak dapat tercapai, maka seluruh anggota kelompok

tersebut mendapat nilai nol untuk praktikum ini. b. Jangan sampai laser masuk ke mata. Lepaskan aksesoris terutama yang berbahan logam

yang dapat memantulkan laser(seperti jam tangan) selama praktikum.

c. Ketika memutar motor detektor, aturlah posisi kabel serat optik agar tidak melengkung

tajam yang dapat menyebabkan serat optik patah.

Percobaan I

(1) Gunakan sumber cahaya laser.

(2) Putar motor 2 sehingga laser mengalami pemantulan internal total pada bagian belakang

prisma (lihat Gb.6)

(3) Putar motor 1 sehingga pantulan laser dari prisma tepat mengenai detektor dan daya

teramati di powermeter.

(4) Catat daya yang teramati pada powermeter beserta posisi angular prisma dan posisi angular

detektor terhadap posisi nol.

(5) Ulangi percobaan untuk berbagai sudut (dalam variasi sudut, perubahan sudut detektor

dua kali perubahan sudut prisma).

Percobaan II

(1) Ganti laser dengan lampu polikromatik, arahkan cahaya ke prisma sama dengan arah laser

menuju prisma pada percobaan sebelumnya.

(2) Atur motor 1 dan motor 2 sehingga cahaya mengalami pemantulan internal total pada

prisma dan pantulannya tepat jatuh di detektor.

(3) Setelah terdeteksi, lepaskan sambungan detektor ke powermeter lalu pasangkan

sambungan detektor ke CCD.

(4) Halangi lampu dengan tangan atau kertas (sehingga tidak terdeteksi di detektor), lalu store

dark.

(5) Tarik kembali pengahalang (tangan atau kertas) sehingga daya terdeteksi kembali, lalu store

reference.

(6) Ganti sumbu vertikal menjadi reflectance. (Transmission berarti transmisi cahaya menuju

detektor). Sekarang sumbu vertikal pada grafik di komputer memiliki skala transmisi 0

sampai 100% (dengan noise di kanan dan kirinya).

(7) Putar motor 2 dan motor 1 sampai terdeteksi ada panjang gelombang tertentu yang

memiliki reflektansi rendah.

(8) Pilih menu edit-copy spectral data, lalu paste pada sheet Microsoft Excell.

(9) Catat sudut prisma dan sudut detektor dalam sheet yang sama, lalu save.

(10) Ulangi dengan berbagai variasi sudut.

4. Pengolahan Data

(1) Gambarkan grafik daya terhadap sudut datang untuk data percobaan 1!

(2) Ambil lima data dengan sudut datang berbeda dari data percobaan 2 lalu gambarkan grafik

reflektansi terhadap panjang gelombang. Gambarkan lima data tersebut (tanpa

menyertakan noise) dalam satu grafik!

(3) Dari setiap data percobaan 2, tentukanlah panjang gelombang yang menghasilkan

reflektansi minimum untuk setiap sudut datang , lalu gambarkanlah kurva dispersi

surface plasmon dari data tersebut!

(4) Tentukanlah permitivitas emas sebagai fungsi frekuensi dari data percobaan dan dari

model Drude lalu gambarkan keduanya dalam satu grafik!

Ket: Model Drude dinyatakan dengan .

5. Pembahasan

(1) Jelaskan peristiwa surface plasmon resonance dari grafik daya terhadap sudut datang

percobaan 1. Pada sudut berapakah resonansi terjadi? Apakah yang menyebabkan resonansi

terjadi pada sudut tersebut?

(2) Jelaskan pergeseran resonansi terhadap perubahan sudut datang . Bagaimanakah

perbedaan lebar kurvanya?

(3) Jelaskan kurva dispersi surface plasmon yang diperoleh dari percobaan.

(4) Jelaskan permitivitas logam emas yang diperoleh dari percobaan dan bandingkan dengan

permitivitas dari model Drude.

6. Tugas Pendahuluan

(1) Jelaskan tentang terjadinya surface plasmon resonance.

(2) Apa yang dimaksud gelombang evanesen (evanescent wave)?

(3) Apakah kegunaan prisma pada pembangkitan SPR?

(4) Sebutkan dan jelaskan minimal tiga metode lain pembangkitan SPR pada perbatasan

logam/dielektrik.

(5) Jelaskan tentang model Drude. Carilah nilai referensi frekuensi plasma untuk emas.

(Petunjuk: model Drude dinyatakan dalam bentuk )