تجزیه خورشیدی آب                                                    

 

 

 

تجزیۀ خورشیدی آب در سیستم‌هایی به نام سلول فوتوالکتروشیمیایی صورت می‌گیرد. ترم فوتوالکترود، شناساگر ساختار کامل یک مادۀ فعال نوری است. احیای اکسیژن (O2) با انتقال الکترون از الکترولیت به مادۀ فعال نوری (انتقال حفره از مادۀ فعال نوری به الکترولیت) و واکنش احیای هیدروژن با انتقال الکترون از الکترود کاتد به الکترولیت همراه است. شکل زیر فرآیندهای فیزیکی-شیمیایی و دیاگرام سطوح انرژی در سیستم تجزیۀ آب را نمایش می‌دهد.

 

 

در شکل ۱ فرآیندهای تولید حامل‌های بار الکترون-حفره و نیز انتقال حامل‌های بار به الکترولیت و واکنش‌های احیای اکسیژن و هیدروژن نشان داده شده است. در بخش (a) از یک نیمه‌هادی تک که قادر به انجام هر دو واکنش است استفاده می‌شود. در این سیستم تجزیۀ آب، معمولاً ذرات مادۀ فوتوکاتالیسیت (نیمه‌هادی) به صورت پراکنده درون الکترولیت ریخته می‌شوند و واکنش‌های احیای اکسیژن و هیدروژن بر روی فوتوکاتالیست انجام می‌شوند. این سیستم به صورت آزمایشگاهی با استفاده از نانوذرات مخلوط اکسیدهای گالیم و روی صورت گرفت و بازدهِ تبدیل هیدروژن این سیستم در تابش نور با طول موج ۴۰۰nm  حدود ۲.۵% به دست آمد.

چیدمان نمایش داده شده در شکل ۱ (b) از یک تک فوتوالکترود به گونه‌ای استفاده می‌کند که واکنش احیای اکسیژن در یک سمت و واکنش احیای هیدروژن در سمت دیگر انجام شود.  در سال ۲۰۱۱، نوکرا و همکارانش مثالی از کار تجربی این چیدمان را نشان دادند. این ساختار، که به برگ سبز مصنوعی مشهور است، شامل یک سلول خورشیدی سیلیکونی است که با یک همکاتالیست برای انجام هر دو واکنش ترکیب شده است. در شکل زیر، این چیدمان نمایش داده شده و بازده تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن برای این سیستم نیز در حد 2.5% گزارش شده است.

 

 

تجزیۀ آب با یک تک فوتوالکترود با چالش‌های بسیاری مواجه است، زیرا سیستم باید ملزومات واکنش‌های اکسایش و کاهش آب را تنها در یک مادۀ فعال نوری برآورده کند. این مسئله موجب بالارفتن هزینۀ ساخت فوتوالکترود می‌شود و علاوه بر آن بازده تبدیل انرژی کم است. از طرفی مکان تولید گازهای اکسیژن و هیدروژن جدا نیست، که موجب بالارفتن هزینه‌های ذخیرۀ هیدروژن و پیچیدگی زیاد کار می‌شود.

 

 

چیدمان دیگری که در سلول‌های فوتوالکتروشیمیایی استفاده می‌شود در شکل ۳ نمایش داده شده است. در این چیدمان از دو الکترودِ جداگانه برای واکنش‌های اکسایش و کاهش آب استفاده می‌شود. واکنش احیای اکسیژن از انتقال الکترون از الکترولیت به فوتوآند و واکنش احیای هیدروژن از انتقال الکترون از کاتد به الکترولیت انجام می‌شود. یک مدار خارجی این حلقه جریان را تکمیل می‌کند. هر کدام از مواد انتخاب شده برای کاتد و فوتوآند باید ملزومات مربوط به نقش خود را داشته باشند و این مسئله گسترۀ انتخاب مواد را بازتر می‌کند. به این دلیل، هزینۀ ساخت این چیدمان دوالکترودی از هزینۀ ساخت چیدمان تک‌الکترودی بسیار پایین‌تر است و از پیچیدگی‌های کار می‌کاهد. علاوه بر این، تولید اکسیژن و هیدروژن به صورت جداگانه انجام می‌شود و در نتیجه، ذخیره هیدروژن و انتقال انرژی با سهولت صورت می‌گیرد؛ همچنین، مقداری انرژی اضافی برای انتقال حامل‌های بار از الکترودها به الکترولیت نیاز است که از طریق یک ولتاژ خارجی و یک سلول خورشیدی فراهم می‌شود. در ادامه به معرفی دقیق‌تر اجزای یک سلول فوتوالکتروشیمیایی می‌پردازیم که چیدمان شکل ۳ را پوشش می‌دهد.

اجزای اصلی یک سلول PEC سه الکترودی

در شکل ۴ ساختار ابتدایی یک سلول PEC سه الکترودی نشان داده شده است. اجزای مهم این ساختار از چهار بخش:
۱. Working electrode یا الکترود کار (فوتوآند)،
۲. Auxilliary (Counter) electrode  یا الکترود کمکی (کاتد)،
۳. Reference electrode یا الکترود مرجع و
۴.الکترولیت هستند.

شبیه‌سازی فوتوآندهای سلول فوتوالکتروشیمیایی با نرم‌افزار کامسول

کامسول نرم‌افزاری است که با استفاده از روشِ المانِ محدود، معادلات دیفرانسیل جزئی را در دو یا سه بعد حل می‌کند. کاربردهای از پیش تعریف شده‌ای برای معادلات دیفرانسیل جزئی درکامسول مشخص شده است و کاربر می‌تواند آزادانه از آن‌ها درکاربردهای مختلف استفاده کند. کاربردهای از پیش تعریف شده در آن عبارتند از: الکترمغناطیس، مکانیک، دینامیک سیالات، انتقال حرارت و نیمه رساناها و غیره. تمام این مدها می‌توانند با همدیگر جفت شوند و استفاده گردند. مستقل از کاربرد و مد استفاده شده، پارامترهای هندسی، پارامترهای ماده و شرایط مرزی مسئله می‌توانند در قسمت گرافیکی نرم افزار به راحتی تعریف گردند. بعد از تعریف مرزها و نواحی مختلف، عملیات شبکه‌بندی به صورت المان محدود انجام می‌گردد. روش شبکه‌ای المان محدود برای مرزهای منحنی شکل، بسیار کارآمدتر از روش شبکه‌بندی دیفرانسیلی محدود است. در قدم سوم، بعد از شبکه‌بندی، دستگاه معادلات دیفرانسیلی حل می‌شود. کامسول روش‌های مختلفی را برای حل معادلات دیفرانسیل پیشنهاد می دهد. معمولاً از روش‌های حل مستقیم برای حل مسائل کوچکتر و از روش‌های تکرار برای مسائل بزرگتر و پیچیده‌تر استفاده می‌گردد. درصورتی که از نظر حافظۀ قابل دسترس در رایانه مشکلی نباشد، استفاده از روش مستقیم پیشنهاد می‌گردد، چون روش‌های مستقیم، نتایج دقیق‌تری نسبت به روش‌های تکرار دارند. قدم بعدی نمایش نتایج حل مسئله است. کامسول نمایش‌های دو بعدی و سه بعدی را عرضه می‌کند. با توجه به کاربردی که برای کامسول تعریف شده است، متغیرهای مربوط به میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به صورت سایر متغیرها -از قبیل بردار پوینتینگ، انرژی و انرژی اتلافی- قابل محاسبه و رسم است. در مواردی که متغیر از پیش تعیین شده وجود نداشته باشد، می‌توان آن را با توجه به رابطۀ آن با میدان‌های الکترومغناطیسی محاسبه کرد.
ساختارهای شبیه‌سازی شده در شکل ۵ شامل آرایه‌ای منظم از نانوساختارهای FTO است که لایه‌ای بسیار نازک از هماتیت بر روی آن قرار دارد. اکسید قلع آلاییده به فلوئور (FTO) ماده اکسیدی شفاف رسانایی است که به صورت گسترده برای تجزیه فوتوالکتروشیمیایی آب  استفاده می‌شود و به همین جهت در شبیه‌سازی از این ماده به عنوان لایۀ TCO استفاده می‌شود.
ساختار اول نشان داده شده در شکل ۵ (a,b)، آرایه‌ای دوبعدی نانونوارها است که می‌توان آن را با استفاده از روش‌های معمول و مقیاس‌پذیر لایه‌نشانی فیلم نازک و تکنیک‌های مختلف الگوگذاری ساخت. لایۀ FTO مسئول جمع‌آوری الکترون‌ها است و لایۀ هماتیت رشد داده شده بر روی آن به عنوان مادۀ فعال در واکنش‌های فوتوالکتروشیمیایی به کار می‌رود. ساختار دوم آرایه‌ای متناوب از نانومیله‌ها است که در یک شبکۀ مربعی در کنار هم قرار گرفته‌اند و با لایۀ نازک هماتیت پوشش داده شده است (شکل ۵ c).
پارامترهای هندسی مهم شامل ثابت شبکۀ P، ارتفاع نانونوارها و یا نانومیله‌ها H و فاکتور کسر پرشوندگی FR هستند. کسر پرشوندگی (FR) به صورت کسری از سلول واحد شبکه متناوب تعریف می‌شود که نانومیلۀ FTO پر کرده است. ضخامت فیلم هماتیت برابر با ۲۰nm در نظر گرفته شده است تا بتواند حامل‌های حفره را با بازدهی مطلوب و مؤثر به مرز فوتوالکترود با الکترولیت انتقال دهد. ضخامت لایۀ FTO زیرین برابر با ۲۰۰nm در نظر گرفته شده است تا از میزان رسانایی الکتریکی در مقابل الکترود اطمینان داشته باشیم. ضریب شکست هماتیت از مرجع به دست آمده است و ضرایب شکست آب و FTO به ترتیب برابر با ۱.۳۳ و ۱.۷ در نظر گرفته شده است. ممکن است ضریب شکست FTO بر اثر روش لایه‌نشانی از مقدار ۱.۷ منحرف شود، اما در بازۀ ۳۰۰nm تا ۶۰۰nm که بازۀ مؤثر جذب اپتیکی برای هماتیت است،تغییر محسوسی نمی‌کند.

 

برای محاسبۀ جذب اپتیکی این نانوساختار، شبیه‌سازی الکترومغناطیسی با حل معادلات الکترومغناطیسی ماکسول درون سلول واحد ساختار و با استفاده از روش FEM انجام می‌شود. به دلیل آنکه ساختار متناوب است، شبیه‌سازی تنها برای سلول واحد و با شرایط مرزی متناوب انجام می‌شود. با توجه به این‌ که نور خورشید قطبیده نیست، نور غیرقطبیده در محاسبات به صورت میانگین قطبش میدان الکتریکی عرضی TE و میدان مغناطیسی عرضی TM در نظر گرفته می‌شود. تعریف قطبش‌های TE(TM) به این صورت است که مؤلفۀ E(M) میدان‌های الکترومغناطیسی بر صفحه x-y عمود و در نتیجه، موازی با محور z است. شرایط لایه کاملاً همسان (PML) در قسمت انتهایی ساختار در نظر گرفته شده است تا بتوان انتشار نور به داخل زیرلایۀ شیشه‌ای بدون بازتاب را شبیه‌سازی کرد. در مدل محاسباتی، ساختار به شبکه‌های مثلثی کوچک تقسیم شده است و معادلۀ ماکسول برای هر جزء به صورت مجزا حل می‌گردد. حل معادلۀ ماکسول برای جزءهای مختلف توسط شرایط مرزی الکترومغناطیسی به هم مربوط می‌شود.
مطابق شکل ۵ نور خورشید مانند موج تخت در نظر گرفته می‌شود که از سمت محیط آبی سلول و با دامنۀ 1V/m تحت شرایط عمودی تابیده می‌شود. برای محاسبۀ جریان فوتونی فرض می‌شود که ۱. به ازای هر فوتون جذب شدۀ درون لایه هماتیت یک زوج الکترون-حفره تولید شود؛ ۲. نرخ تولید الکترون-حفره به خاطر نازک بودن لایۀ هماتیت در سراسر لایه یکنواخت است. این فرض‌ها حالت ایده‌آل بازدهی استخراج حامل بار ۱۰۰% را در نظر می‌گیرد. در نتیجه، چگالی جریان جذبی یا چگالی جریان فوتونی بیشینۀ قابل محاسبه از انتگرال‌گیری بر روی تابع جذب اپتیکی در شار فوتونی Am 1.5 به صورت زیر به دست می‌آید:

\(J_a (mA cm^{-2}) = e/hc \int A(\lambda) \Phi_{AM1.5}\lambda d\lambda\)

که در آن A(λ) جذب اپتیکی، Φ_AM1.5  شار فوتونی AM 1.5، λ طول موج نور فرودی، e بار الکترون، h ثابت پلانک و c سرعت نور است. انتگرال‌گیری در بازۀ  ۴۰۰nm تا ۶۲۰nm انجام می‌شود که ۶۲۰nm لبه جذب اپتیکی هماتیت است. جذب اپتیکی A(λ) به صورت انرژی الکترومغناطیسیِ تلف شدۀ درون لایۀ هماتیت تعریف می‌شود و طبق رابطۀ زیر به دست می‌آید:

 

\( A(\lambda) = (\frac{1}{P_{inc}}) \int(\frac{1}{2}) \omega \varepsilon^{”}_{hematite} |\bar{E}(\bar{r},\lambda)|^2 d^3r \)

که در آن \(|\bar{E}(\bar{r},\lambda)|\) دامنۀ میدان الکتریکی محاسبه شده از حل معادلات ماکسول، \(\varepsilon^{”}_{hematite}\) قسمت موهومی ثابت دی‌الکتریک هماتیت، ω بسامد زاویه‌ای و P_inc توان حمل شده توسط موج فرودی است.

 

علاقه مندان می توانند برای مطالعۀ بیشتر به منابع زیر رجوع کنند:

 

•  رسالۀ دکتری بهروز افتخاری نیا، بهبود عملکرد فوتوالکترودهای اکسید فلزی به کمک خواص پلاسمونی نانوساختارهای آرایه ای و اصلاح با هم- کاتالیست های فلزی برای تجزیه فوتوالکتروشیمیایی آب

•  P. C. Vesborg and T. F. Jaramillo, “Addressing the terawatt challenge: scalability in the supply of chemical elements for renewable energy,” Rsc Advances, vol. 2, pp. 7933-7947, 2012.

•  M. Rioult, “Hematite-based epitaxial thin films as photoanodes for solar water splitting,” Ecole Polytechnique, 2015.

•  F. Le Formal, “On the Morphology and Interfaces of Nanostructured Hematite Photoanodes for Solar-Driven Water Splitting,” 2011.

•  B.Eftekharinia, “Design rules of nanostructured transparent conductive electrodes for light trapping in hematite photoanodes”, 2017.

 

پلاسمون سطحی                     

 

 

 

در سال‌های اخیر حوزه پلاسمونیک به یکی از حوزه‌های در حال توسعه و پرکار علم نانوفوتونیک تبدیل شده است، که به توصیف اندرکنش امواج الکترومغناطیسی با نوسان همدوس و جمعی الکترون‌های آزاد بر روی سطوح نانوساختارهای فلزی می‌پردازد. در واقع، پلاسمونیک عبارت است از امواج مربوط به چگالی الکترونی که درطول حد فاصل بین فلزات و دی الکتریک ها منتشر می‌گردد. اندرکنش نانوذرات فلزی با میدان‌های الکترومغناطیسی را می‌توان بر اساس معادلات ماکسول در چارچوب کلاسیک توصیف کرد.

بسیاری از خواص اساسی الکترونی مواد جامد، از مفهوم حرکت الکترون در شبکه یونی حاصل می‌گردد. اگر در تقریب اول از شبکه یونی صرف نظر گردد، الکترون‌های فلزات به صورت مایع الکترونی با چگالی بالا درنظر گرفته می‌شوند. ثابت دی‌الکتریک ماده و مخصوصا فلزات به طول موج وابسته است و نقش مهمی در خواص اپتیکی و پلاسمونی آن ماده دارد. ثابت دی‌الکتریک فلزات، با در نظر گرفتن سهم مربوط به الکترون‌های آزاد فلز و گذارهای بین نواری به دست می‌آید. یک مدل جامع برای توصیف تابع دی‌الکتریک فلزات مدل درود و لورنتس است. در این مدل، پاسخ یک ذره فلزی به امواج الکترومغناطیسی مانند اثر نیروی خارجی بر یک الکترون تنها در نظر گرفته می‌شود. سپس پاسخ ماکروسکوپی، از ضرب اثر یک الکترون در تعداد الکترون‌ها به دست می‌آید. درود در نظریه خود، الکترون‌های فلز را به‌صورت گازی از ذرات با بار منفی در نظر گرفت که در داخل یک محیط شامل هسته‌های با بار مثبت حرکت می‌کند. در بیشتر محاسبات ترجیح داده می‌شود تا از داده‌های آزمایشگاهی برای ضریب شکست استفاده شود. مراجع مورد استفاده بیشتر پالیک یا جانسون کریستی است.

 

به نوسانات دوبعدی تجمعی الکترون‌های آزاد محدود شده به سطح فلز و در سطح مشترک فلز-دی الکتریک، پلاسمون سطحی گفته می‌شود. پلاسمون‌ها نقش مهمی در ویژگی‌های اپتیکی فلزات بازی می‌کنند. اگر این پلاسمون‌های سطحی توسط موج الکترومغناطیسی (فوتون) برانگیخته شوند، پلاسمون پلاریتون سطحی ایجاد می‌شود. در واقع پلاسمون پلاریتون سطحی از جفت‌شدگی تشدیدی میدان الکترومغناطیسی خارجی با نوسانات چگالی بار الکترون‌های باند هدایت در یک فلز نتیجه می‌شود. این جفت‌‌شدگی باعث ارتعاش کوانتیزه الکترون‌های آزاد نسبت به یون‌های مثبت در فرکانس پلاسمایی خاصی می‌شود. این موج محدود شده‌ سطحی پاسخی از معادلات ماکسول در مرز دی‌الکتریک- فلز است. میدان الکترومغناطیسی یک پلاسمون پلاریتون سطحی در سطح یک فلز منتشر و در هر دو جهت درون فلز میرا می‌شود. به عبارتی، SPP یک تهییج الکترومغناطیسی است که به‌صورت موج گونه در سطح مشترک فلز-دی‌الکتریک منتشر می‌شود و دامنه آن با افزایش فاصله از سطح به‌صورت نمایی میرا می‌شود.

 

 

 

 

علاوه بر سطوح تخت، پلاسمون‌های سطحی در هندسه‌های خمیده مثل نانوذرات فلزی یا فضاهای خالی در نانوساختارهای فلزی نیز برانگیخته می‌­شوند. تحت تاثیر میدان الکترومغناطیسی تابش فرودی الکترون های آزاد باند هدایت فلز نسبت به زمینه­ یون­ های مثبت فلز، نوسان تجمعی انجام می‌­دهند که منجر به ایجاد بار قطبیده مؤثری در سطح فلز می­‌شود که به مانند یک نیروی بازگرداننده، باعث تشدید نوسانات الکترونی در یک فرکانس خاص می­‌شود. این برانگیختگی پلاسمون‌های سطحی در هندسه­‌های خمیده، پلاسمون سطحی جایگزیدۀ تشدیدی (LSPR) نامیده می‌­شود. برخلاف مدهای SPP در یک سطح تخت، رفتار تشدیدی LSPR از این نشأت می­‌گیرد که الکترون‌های هدایت فلز، محدود به نانو ذرات یا هندسه­ های خمیده هستند؛ در نتیجه فرکانس تشدیدی برانگیختگی پلاسمون­‌ها، نه تنها به توابع دی­‌الکتریک دو محیط، بلکه به اندازه و شکل ذرات نیز بستگی دارد. تحت شرایط تشدید، قطبش ‌پذیری قوی نانوذره، انرژی میدان خارجی را دریافت و باعث افزایش میدان در یک حجم نانومتری و همچنین باعث جذب و پراکندگی قوی در طول موج تشدید می­‌شود. از این ویژگی میدان تشدیدی پلاسمون سطحی جایگزیده، در بسیاری از کاربردها استفاده می‌­شود. شکل زیر نشان می‌دهد که با تغییر اندازه و شکل و جنس نانوذرات فلزی طول موج پیک پلاسمونی قابل تنظیم است.

 

 

از آن‌جا که محدود شدن الکترون‌های رسانش فلز در حجم کوچک نانوذره باعث رفتار تشدیدی پلاسمون‌های سطحی در ذرات فلزی است، ویژگی‌های تشدیدی مدهای LSPR وابسته به اندازه ذرات است. در واقع، برای ذرات کوچک سهم دوقطبی در سطح مقطع جذب و پراکندگی غالب است. برای ذرات بزرگتر از حد الکترواستاتیک (R>10nm) با افزایش اندازه ذره، طول موج تشدید پلاسمونی به سمت طول موج‌های بلند انتقال می‌یابد و پهنای پیک پلاسمونی نیز افزایش می‌یابد. با افزایش اندازه ذرات، نیروی بازگرداننده به دلیل افزایش فاصله میان بارهای مثبت و منفی، کاهش می‌یابد و درنتیجه طول موج تشدید پلاسمونی به سمت طول موج‌های بلندتر و فرکانس‌های کوچک‌تر سوق پیدا می‌کند. از طرفی، با افزایش اندازه ذرات، پیک‌های جدید که مربوط به تحریک چندقطبی‌های مرتبه بالاتر است، مشاهده می‌شود و در نتیجه، پیک پلاسمونی به سمت ناحیه طیفی قرمز رنگ منتقل می‌شود. دلیل تهییج مدهای مرتبه بالاتر، تأخیر فاز در ذرات بزرگتر است که منجر به حرکت الکترون‌ها در جهات و نواحی مختلف می‌شود. اولین مد مرتبه بالاتر که در طیف پلاسمونی ظاهر می‌شود، مد چهار قطبی است که در آن بار الکتریکی در چهار قسمت از سطح کره انباشته می‌شود. افزایش پهنای تشدید نتیجۀ افزایش سهم واپاشی تابشی به علت افزایش حجم ذره است.

 

منابع:

– رسالۀ دکتری بهروز افتخاری نیا، بهبود عملکرد فوتوالکترودهای اکسید فلزی به کمک خواص پلاسمونی نانوساختارهای آرایه ای و اصلاح با هم-کاتالیست‌های فلزی برای تجزیۀ فوتوالکتروشیمیایی آب، تیرماه 1396/ دانشگاه تربیت مدرس.

–  S. A. Maier, Plasmonics: fundamentals and applications: Springer Science & Business Media, 2007.
–  S. A. Maier and H. A. Atwater, “Plasmonics: Localization and guiding of electromagnetic energy in metal/dielectric structures,” Journal of Applied Physics, vol. 98, p. 10, 2005.
–  P. B. Johnson and R.-W. Christy, “Optical constants of the noble metals,” Physical review B, vol. 6, p. 4370, 1972.
–  A. V. Zayats, I. I. Smolyaninov, and A. A. Maradudin, “Nano-optics of surface plasmon polaritons,” Physics Reports, vol. 408, pp. 131–314, 2005.
–  Z. Han and S. I. Bozhevolnyi, “Radiation guiding with surface plasmon polaritons,” Rep. Prog. Phys., vol. 76, p. 016402, 2013.
–  Z. Han and S. I. Bozhevolnyi, “Radiation guiding with surface plasmon polaritons,” Reports on Progress in Physics, vol. 76, p. 016402, 2012.
–  M. A. García, “Surface plasmons in metallic nanoparticles: fundamentals and applications,” Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 44, p. 283001, 2011.
–  M. Valenti, M. Jonsson, G. Biskos, A. Schmidt-Ott, and W. Smith, “Plasmonic nanoparticle-semiconductor composites for efficient solar water splitting,” Journal of Materials Chemistry A, vol. 4, pp. 17891-17912, 2016.

شبیه‌سازی تشدید پلاسمون سطحی جایگزیده و انتشاری

پلاسمون‌ها به صورت نوسانات جمعی بارهای الکترون نسبت به هسته‌های خود (بارهای مثبت) تعریف می‌شوند. پلاسمون‌های سطحی آن پلاسمون‌هایی هستند که به سطح محصور شده‌اند و به شدت با پرتوهای نور فرود آمده به سطح فلز اندرکنش نشان می‌دهند. پديدۀ تشديد پلاسمون سطحي، برانگيختگي مٌد ارتعاش جمعي الكترون‌هاي آزاد فصل مشترك فلز و دي‌الكتريك با موج الکترومغناطیسی است. اين برانگيختگي ناشي از برهم‌كنش امواج الكترومغناطيس در ناحيهٔ مرئي با الكترون‌هاي آزاد فلزاتی مثل طلا و نقره است. امروزه كاربرد اين پديده در شناسايي و آشكارسازي مواد، گازهاي شيميايي و مولكول‌هاي بيولوژيکی موضوع مهم تحقيقات بين‌رشته‌اي علوم پایه، فنی مهندسی و علوم پزشکی است.

شکل ۱. (a) تشدید پلاسمون های سطحی انتشاری در مرز فلز-دی الکتریک و (b) تشدید پلاسمون های سطحی جایگزیده در یک نانوذره فلزی

به صورت کلی دو نوع تشدید پلاسمون سطحی وجود دارد: رزونانس پلاسمون سطحی انتشاری (SPR) و تشدید پلاسمون سطحی موضعی (LSPR) . در روش SPR، امواج الکترومغناطیس محوشونده به وسیلهٔ سطح تماس فلز– دی‌الکتریک محاط می‌شود و در امتداد مرز فلز–دی‌الکتریک منتشر می‌شود، در حالی که در روش LSPR، امواج الکترومغناطیس روی نانوساختارهای فلزی (نانوذره، نانومیله و …) محدود می‌شود.

برای شبیه سازی پلاسمون سطحی می‌توان از نرم افزار کامسول بهره گرفت. در این نرم افزار می‌توان تاثیر جنس و اندازه نانو ذرات فلزی را بر ویژگیهای جذب و پراکندگی مطالعه کرد. برای اطلاعات بیشتر می‌توانید به کارگاه دوره کامسول مدرسه دانش مراجعه کنید.

در شکل ۲ نمونه ای از شبیه سازی پلاسمون سطحی جایگزیده برای نانوذرات فلزی و تاثیر شکل بر روی رزونانس پلاسمون نمایش داده شده است.

شکل ۲. توزیع میدان الکتریکی برای تشدید پلاسمون سطحی جایگزیده در یک نانوذره فلزی با شکل های مختلف نانوکره و نانومیله و بررسی تاثیر شکل هندسی بر روی تشدید مد پلاسمونی. 

نرم افزار کاسول همچنین می‌تواند تشدید پلاسمون سطحی در مرز فلز- دی‌الکتریک را مورد بررسی قرار دهد. با این نرم افزار قادر خواهیم بود که ویژگیهای انتشار مد تحریک پلاسمونی را مطابق شکل زیر در نانو ساختارهای شکاف فلزی مورد بررسی قرار دهیم.