Pengamatan Fenomena Surface Plasmon - HFI DIY

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
199
Pengamatan Fenomena Surface Plasmon Resonance (SPR) pada
Permukaan Lapisan Tipis Perak Menggunakan Laser dengan Panjang
Gelombang Berbeda dalam Konfigurasi Kretschmann
Almaratus Sholihah Rifqi Rufaida1, Kamsul Abraha2
Laboratorium Fisika Zat Padat, Jurusan Fisika FMIPA UGM
Sekip Utara, Yogyakarta 55281
email: [email protected], [email protected]
Abstrak – Telah dilakukan pengamatan fenomena surface plasmon resonance (SPR) pada lapisan tipis perak yang telah dideposisikan pada
prisma. Pengamatan dilakukan dalam konfigurasi Kretschmann dengan menggunakan dua sumber cahaya laser yang mempunyai panjang
gelombang berbeda. Dengan menggunakan teknik attenuated total reflection (ATR), terlihat adanya penurunan intensitas (dip) saat berkas
laser mengenai prisma. Hal ini mengkonfirmasi munculnya fenomena SPR pada bidang batas prisma-lapisan tipis perak. Dengan
memvariasi ketebalan lapisan, terlihat adanya perbedaan penurunan intensitas. Dari kajian ini telah diperoleh ketebalan lapisan dan sudut
SPR secara berturut-turut untuk 3 variasi ketebalan yaitu: 68 nm dan 46,67o+ 0,05o; 71 nm dan 46,67o+ 0,05o; 82,5 nm dan 46,40o+ 0,05o.
Hasil yang diperoleh dari kurva SPR menunjukkan bahwa untuk lapisan yang semakin tebal, maka nilai reflektansi yang dihasilkan akan
semakin besar. Sedangkan untuk variasi panjang gelombang laser, dengan ketebalan yang sama yaitu 61,9 nm, diperoleh hasil sebagai
berikut: untuk laser merah (laser He-Ne) dengan panjang gelombang 632,8 nm diperoleh sudut SPR 47,10o+ 0,05o, dan untuk laser hijau
(laser zat padat) dengan panjang gelombang 532 nm diperoleh sudut SPR 47,50o+ 0,05o. Hasil ini sesuai dengan kurva resonan untuk
variasi ketebalan panjang gelombang laser yang diperoleh oleh peneliti lain, bahwa untuk panjang gelombang sinar laser yang semakin
kecil, sudut SPR bergeser ke nilai sudut datang yang lebih besar.
Kata kunci: surface plasmon resonance (SPR), attenuated total reflection (ATR), laser, konfigurasi Kretschmann
I. PENDAHULUAN
Fenomena surface plasmon (SP) telah ditemukan pada
tahun 1957 dan sejak itu banyak studi yang telah dilakukan
terhadap sifat-sifat fundamental dan aplikasinya. Resonansi
SP telah digunakan untuk menghasilkan beragam variasi
sensor optik. Suatu SP dapat dihasilkan melalui interaksi
antara elektron pada berbagai macam permukaan, seperti
pada sebuah logam, dengan sebuah muatan partikel atau
dengan sebuah foton. Hal ini merupakan osilasi
terkuantisasi kolektif dari elektron konduksi dekat
permukaan logam atau semikonduktor. SP dapat dihasilkan
dalam lapisan tipis dengan menggunakan konfigurasi di
mana cahaya masuk pada lapisan dari suatu medium dengan
indeks bias lebih besar dari satu (>1). Dalam penelitian ini
yang digunakan adalah metode ATR (Attenuated Total
Reflection) dengan konfigurasi Kretschmann (Gambar 1).
Gelombang SP adalah gelombang elektromagnetik
berpolarisasi-p atau transverse magnetic (TM) yang
merambat sepanjang bidang batas dua medium berbeda
(logam-dielektrik). SP secara efektif dapat dihasilkan pada
unsur logam maupun semikonduktor ketika dimensi partikel
lebih kecil daripada setengah panjang gelombang cahaya
yang mengenai partikel [3].
Total Internal Reflection (TIR) adalah fenomena optik
saat cahaya sinar menembus batas medium dengan sudut
datang lebih besar daripada sudut kritis saat ia mengenai
permukaan. Saat terjadi TIR maka gelombang
elektromagnetik yang terbiaskan mempunyai bentuk
gelombang bidang dengan amplitudo meluruh secara
eksponensial saat ia menjauhi bidang batas kedua medium
yg disebut sebagai gelombang evanescent (Gambar 2).
Perilaku gelombang ini persis sama dengan perilaku
gelombang SP. Artinya yang akan beresonansi dalam
fenomena SPR adalah kedua gelombang tersebut.
Gambar 1. Diagram skematik metode ATR dengan menggunakan
Konfigurasi Kretschmann [1].
Pada konfigurasi ini, cahaya masuk pada lapisan tipis
melewati prisma dengan sudut datang yang lebih besar
daripada s muncul hanya dalam sepersekian derajat putaran
sudut datangnya. Selain itu, resonansi dapat diamati dengan
menggunakan spektrometer untuk men-scan
panjang
gelombang sementara sudut datang dibuat konstan. Saat
sudut SP dicapai, intensitas berkas terpantul secara dramatis
berkurang karena adanya transfer energi ke lapisan tipis
logamnya [2].
Gambar 2. Gelombang evanescent.
Medan gelombang evanescent mengambil bentuk
E = ( E x , 0, E z ) e i ( k x x −ω t ) e ik z
(1)
H = (0, H y , 0) e i ( k x x −ω t ) e ik z
(2)
Gelombang bidang ini terlokalisir di bidang batas, artinya
hanya boleh merambat pada bidang tersebut (sb-x),
ISSN 0853-0823
200
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
sedangkan ke arah sb-z hanya berbentuk semakin kecil
amplitudonya ketika makin menjauh dari bidang batas.
Sedangkan ATR merupakan TIR tetapi medium
udaranya ditukar dengan lapisan tipis logam sehingga jarak
jangkau gelombang evanescent menjadi lebih pendek atau
disebut mengalami attenuasi yang diakibatkan oleh indeks
bias atau tetapan dielektrik logam yang merupakan bilangan
kompleks [4]. Geometri ATR ditunjukkan pada Gambar 3.
II. METODE EKSPERIMEN
A. Skema Langkah Kerja Penelitian (Gambar 5)
Gambar 3. Geometri ATR untuk lapisan logam tipis antara kaca
prisma dan udara [3].
r12 =
ε
ε
r23 =
1
1
2
2
cos θ1 − n cos 2
(3)
cos θ1 + n cos θ 2
cos θ 2 − ε
1
cos θ 2 + ε
1
2
cos θ3
2
cos θ3
(4)
cos θ 2 = (1 − n 2 sin 2 θ1 / ε )
(5)
cos θ3 = (1 − n 2 sin 2 θ1 )
(6)
1/ 2
1/ 2
r12 + r23e( )
R=
−2 kd
1 + r12 r23e( )
−2 kd
2
(7)
R merupakan nilai reflektansi dari permukaan lapisan tipis
logam.
Secara teori, hasil kurva SPR untuk variasi ketebalan
lapisan perak dapat dilihat dalam pustaka acuan [5],
sedangkan untuk variasi panjang gelombang sinar laser
dapat dilihat dalam pustaka acuan [6].
Untuk selanjutnya dalam Bagian II akan diuraikan
metode eksperimen yang digunakan dalam penelitian ini,
sementara hasil-hasil berikut pembahasannya dijelaskan
dalam Bagian III. Dan akhirnya kesimpulan dipaparkan
dalam Bagian IV.
Gambar 4. Skema langkah kerja penelitian.
Pengambilan data dilakukan melalui dua tahap. Tahap
pertama menggunakan laser merah (laser He-Ne) dengan
memvariasi ketebalan lapisan tipis perak hasil deposisi pada
prisma, sedangkan tahap kedua menggunakan laser merah
(laser He-Ne) dan laser hijau (laser zat padat) untuk
ketebalan lapisan yang sama.
Proses
pengambilan
data
dilakukan
dengan
menggunakan set-up SPR yang telah dirancang (Gambar 5).
Sinar laser dilewatkan melalui dua buah polarisator yang
salah satu sudutnya dibuat 45o. Lensa positif untuk
memfokuskan sinar yang keluar. Selanjutnya sinar akan
melewati beam splitter yang berfungsi membagi sinar
menjadi dua bagian dengan intensitas sama yang akan
ditangkap oleh laser beam receiver pertama (detektor 1) dan
laser beam receiver kedua (detektor 2). Detektor 1 terletak
sebelum sinar mengenai prisma, sedangkan detektor 2
letaknya setelah sinar mengenai prisma. Alat yang
digunakan untuk menampilkan nilai tegangan yang terbaca
adalah mikrokontroler ATMEGA 835. Dalam alat ini juga
telah diatur agar nilai reflektansi dapat langsung diketahui,
yaitu nilai tegangan D2 dibagi D1. Saat sinar mengenai
prisma, divariasi sudut datangnya dengan memutar meja
dudukan prisma. Sebelumnya ditentukan terlebih dahulu
sudut kritisnya sebagai parameter utama dalam memulai
pengambilan data pada sudut tertentu. Nilai output yang
diperoleh adalah sudut datang versus reflektansi.
ISSN 0853-0823
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
201
adalah 68,0 nm, 71,0 nm dan 82,5 nm. Dan sudut SPR hasil
eksperimen berturut-turut terletak pada sudut (θSPR) 46,67° +
0,05°; 46,67° + 0,05°; dan 46,40° + 0,05°. Nilai
ketidakpastian 0,05° merupakan setengah skala terkecil dari
alat saat memutar prisma setiap 0,1°, dan nilai
reflektansinya (R) adalah 0,41; 0,53; dan 0,81 (Gambar 6
dan Gambar 7).
B. Skema Alat Surface Plasmon Resonance (SPR)
Gambar 5. Skema peralatan SPR [5]
Pencatatan data dilakukan menggunakan program
Hyperterminal, sedangkan pengolahannya dilakukan dengan
program Microsoft Office Excel 2007. Dalam pembuatan
grafiknya, digunakan program KGraph. Hasil dari
pengamatan sudut SPR yang diperoleh dibandingkan
dengan referensi kurva teorinya, terutama untuk kurva pada
sinar laser yang berbeda. Setelah diketahui sudut SPRnya,
penentuan ketebalan lapisan tipis hasil deposisi ditentukan
dengan bantuan program Matlab untuk menampilkan kurva
reflektansi hasil komputasi [4].
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Pendeposisian Perak pada Prisma
Hasil deposisi perak pada prisma ditunjukkan pada Tabel 1.
Gambar 6. Kurva SPR untuk ketiga variasi ketebalan perak hasil
eksperimen.
TABEL 1. PARAMETER DEPOSISI PERAK MENGGUNAKAN
VACUUM EVAPORATOR
m (mg)
s (cm)
P (mbar)
I (A)
t (menit)
5
20
1×10-5
73
10
7
25
1×10-5
73
17
9 (1)
20
1,5×10-5
84
4
9 (2)
25
1,2×10-5
75
4
Keterangan:
(1) dan (2) menunjukkan massa yang sama tetapi dengan
perlakuan berbeda
m = massa perak sebelum dievaporasi (mg)
s = jarak antara cuplikan perak dengan prisma (cm)
P = tekanan vakum evaporator saat evaporasi (millibar)
I = arus yang mengalir untuk membantu penguapan/
deposisi (ampere)
t = waktu yang dibutuhkan untuk evaporasi (menit)
B. Pengamatan SPR dengan eksplorasi sinyal SPR
Variasi Ketebalan Lapisan Perak
Untuk variasi ketebalan lapisan perak, laser yang
digunakan adalah laser merah (laser He-Ne), dengan
λ=632,8 nm. Perak yang dievaporasi adalah untuk tiga nilai
massa, yaitu untuk massa 5 mg, 9 mg (1) dan 9 mg (2),
dengan perlakuan saat evaporasi masing-masing massa
berbeda. Dengan menggunakan program Matlab, untuk
ketiga massa perak diperoleh ketebalannya (d) berturut-turut
Gambar 7. Kurva SPR untuk ketiga variasi ketebalan perak hasil
komputasi.
Variasi Panjang Gelombang Sinar Laser
Dalam eksperimen ini yang digunakan adalah laser
merah (laser He-Ne) dengan λ =632,8 nm, dan laser hijau
(laser zat padat) dengan λ=532 nm. Diketahui massa perak
yang digunakan adalah 7 mg, yang diperoleh ketebalannya
61,9 nm. Kurva SPR hasil eksperimen dan hasil perhitungan
secara komputasi untuk dua buah panjang gelombang yang
berbeda ditunjukkan pada Gambar 8 dan Gambar 9.
ISSN 0853-0823
202
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
tebal, maka nilai reflektansinya akan semakin besar.
Sedangkan sudut SPR yang diperoleh saat menggunakan
laser merah (laser He-Ne) dengan λ=632,8 nm berada pada
47,10° + 0,05°, dan untuk laser hijau (laser zat padat)
dengan λ=532 nm, diperoleh sudut SPR pada 47,50° +
0,05°. Kesimpulannya adalah bahwa ketika lapisan tipis
perak disinari dengan panjang gelombang sinar yang
semakin kecil, maka sudut SPR akan bergeser ke arah sudut
datang yang semakin besar (bergeser ke kanan).
PUSTAKA
[1]
[2]
[3]
Gambar 8. Kurva SPR hasil eksperimen dengan dua panjang
gelombang sinar laser yang berbeda (Laser merah dengan λ =632,8
nm, laser hijau dengan λ =532 nm).
[4]
[5]
[6]
B. Evans, “Surface Plasmons: An Introduction to Optical Excitation
of Surface Plasmon Modes”, University of Exeter, England, UK,
(2004).
P. Orfanides, T. F. Buckner, dan M. C. Buncick, “Demonstration of
surface plasmons in metal island films and the effect of the
surrounding medium—An undergraduate experiment”, Am. J. Phys.
68, 936-942 (2000).
H. J. Simon, D.E. Mitchell, dan J.G. Watson, “Surface Plasmons in
Silver Films – a Novel Undergraduate Experiment”, Am. J. Phys.,
43, 630-635 (1975).
Almaratus Sholihah Rifqi Rufaida, “Pengamatan Fenomena Surface
Plasmon Resonance Pada Permukaan Lapisan Tipis Perak
Menggunakan Laser dengan Panjang Gelombang Berbeda dalam
Konfigurasi Kretschmann”, Skripsi S1, Program Studi Ilmu Fisika
FMIPA UGM, Yogyakarta (2011)
Y. Tokunaga, H. Watanabe, A. Minamide, dan T. Minamikawa,
“Study on Estimation of Metal Film Thickness by Attenuated Total
Reflection”, Jpn. J. Appl. Phys., 36, 3162-3166 (1997)
G. Jiang, A. Baba, H. Ikarashi, R. Xu, J. Locklin, K. R. Kashif, K.
Shinbo, K. Kato, F. Kaneko, dan R. Advincula, “Signal
Enhancement and Tuning of Surface Plasmon Resonance in Au
Nanoparticle/ Polyelectrolyte Ultrathin Films”, J. Phys. Chem., 111,
18687-18694 (2007).
TANYA JAWAB
Iwan Sugihartono (Universitas Negeri Jakarta)
? Apa alasannya menggunakan bahan dielektrik perak?
Gambar 9. Kurva SPR hasil perhitungan secara komputasi
dengan dua panjang gelombang sinar laser yang berbeda (merah
dan hijau).
Dari kurva pada Gambar 8 dan Gambar 9, yang
dicermati adalah pergeseran letak sudut SPR dengan
berubahnya panjang gelombang. Terlihat bahwa untuk
sampel yang sama, kurva SPR semakin bergeser ke arah
sudut datang yang semakin besar saat sampel dikenai laser
hijau. Saat menggunakan laser merah, diperoleh sudut SPR
pada 47,10° + 0,05°, dengan nilai reflektansinya 0,29,
sedangkan saat menggunakan laser hijau sudut SPRnya pada
47,50° + 0,05°, dengan nilai reflektansi 0,27. Jadi dari kurva
SPR di atas, dapat disimpulkan bahwa untuk panjang
gelombang sinar laser yang semakin kecil, letak sudut SPR
akan bergeser lebih ke kanan atau menuju sudut datang yang
lebih tinggi.
IV. KESIMPULAN
Sudut SPR (θSPR) dan nilai reflektansi saat sudut SPR
yang diperoleh dalam variasi ketebalan secara berturut-turut
adalah d = 68,0 nm, θSPR =46,67° + 0,05° , R= 0,41; d =
71,0 nm, θSPR =46,67° + 0,05°, R=0,53; d =82,5 nm, θSPR =
46,40° + 0,05°, R=0,81. Reflektansi yang teramati
menunjukkan bahwa untuk lapisan perak yang semakin
Almaratus
@ Perak diketahui sebagai logam dielektrik di mana
gelombang SPC (surface plasmon) nya bisa beresonansi
dengan gelombang sinar lensa sehingga dapat diperoleh
nilai SPR-nya.
Edi Santosa (USD Yogyakarta)
? Arti SPR?
? Mengapa ada lebih dari satu nilai intensitas minimal?
Almaratus
@ SPR (Surface Plasmon Resonance) adalah gelombang
elektromagnetik yang merambat di kedua bidang batas
medium yang sudah beresonansi dengan sinar laser.
@ Karena dalam penelitian ini yang dikerjakan adalah untuk
3 variasi ketebalan, sehingga ada 3 nilai reflektansi. Dengan
ketebalan lapisan yang semakin besar, maka nilai
reflektansinya akan semakin tinggi.
M. Toifur
? Bagaimana pengaruh tebal lapisan terhadap R?
Almaratus S
@ Semakin tebal lapisan logam (perak), maka nilai R
(reflektansi) akan semakin besar.
ISSN 0853-0823