CC BY
98ВКВ0-2019 Нанофотоника
ГИГАНТСКОЕ КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ НА РЕЗОНАНСНОЙ КРЕМНИЙ-СЕРЕБРЯНОЙ
МЕТАПОВЕРХНОСТИ
1* 11 1 1 Сарычев А.К. , Иванов А.В. , Быков И.В. , Богинская И.А. , Лагарьков А.Н. ,
Рыжиков И.А.1, Нечаева Н.Л.2,3, Курочкин И.Н.2,3, Бондаренко А.В.4, Гирель К.В.4
1 Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН, Москва, Россия 2Институт биохимической физики им. Эмануэля РАН, Москва, Россия 3Химческий факультет, Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова, Россия 4 Белорусский Государственный Университет Информатики и Радиоэлектроники, Минск, Беларусь
*E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16138
Усиление комбинационного рассеяния различными поверхностями известно, как гигантское комбинационное рассеяние (ГКР). Исследование и использование ГКР лимитировано фоновой люминесценцией, излучаемой той же поверхностью. Мы исследуем резонансную метаповерхность, изготовленную из периодических кремниевых микрогребней (см Рис. 1,2). Кремниевые гребни покрыты серебряным нанослоем. Реальный эксперимент и компьютерное моделирование демонстрируют аномальную оптическую реакцию метаповерхности, которая обусловлена возбуждением различных металл-диэлектрических поверхностных резонансов.
Мы обнаружили усиление сигнала ГКР от монослоя 4-Меркаптофенилбороновой кислоты (4-МФБК) при нанесении на микро гребневую кремниевую метаповерхность. Очень важно, что полученный таким образом спектр 4-МФБК характеризуется большим отношением комбинационного рассеяния к люминесценции (отношение сигнал/шум). В результате метаповерхность работает как эффективный ГКР сенсор.
Рис. 1. Регулярная, гребневая, кремний-серебряная Рис. 2. Атомно-силовая микроскопия
метаповерхность метаповерхности, гребни видны как светлые
полосы
Основным преимуществом кремния как материала для ГКР сенсоров является практически полное отсутствие сигнала люминесценции. Более того, кремний имеет высокий показатель преломления с относительно низким коэффициентом поглощения в красной и близкой инфракрасной (ИК) части оптического спектра (п ~ 3.8, к ~ 0.01; X = 700 нм). Оптические потери в кремнии увеличиваются в синей части оптического спектра. Коэффициент усиления ГКР пропорционален четвертой степени локального электрического поля С ~||Е (г)|4 бг ~Q4 (см., например, [1]), и достаточно иметь добротность резонатора Q ~ п/к>6 для увеличения сигнала ГКР на три порядка величины. Поэтому кремниевые метаповерхности могут быть использованы в качестве ГКР сенсора на длине волны большей, чем зеленый свет. В нашей работе мы исследуем взаимодействие света с метаповерхностью из посеребренных кремниевых гребней, которая проявляет металл-диэлектрические резонансы в видимом и ближнем ИК спектральных диапазонах. Параметры гребней и нанотолщина серебряного слоя подобраны так, что метаповерхность имеет аномальные оптические свойства в диапазоне X = 700^800 нм. Молекулы 4-МФБК, иммобилизованные на поверхности, используются в качестве индикатора усиления электрического поля и явления ГКР. Структура метаповерхности, показанная на Рис.1 и 2, формируется с использованием высокоразрешающей электронно-лучевой литографии и последующего ионного травление кремния. Период гребней
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected] 271
ВКВ0-2019- ВКВ0-2019 Нанофотоника
меняется от 520 до 600 нм, все гребни имеют почти одинаковую высоту 80 нм, и ширину 120 нм, как показано на Рис. 2. Метаповерхность покрыта 30 нм серебряной пленкой с помощью электроннолучевого испарения. Компьютерное моделирование и реальный эксперимент показывают, что метаповерхность обычно имеет два типа резонансов: один из них обусловлен возбуждением поверхностных плазмонов, длина волны которых приближенно совпадает с периодом гребней [2], второй резонанс — это специфический металлодиэлектрический резонанс типа Фабри-Перо [1]. Поле поверхностных плазмонов в основном концентрируется на поверхности серебра в области между гребнями, в металлодиэлектрическом резонансе электромагнитное поле концентрируемся внутри кремниевых гребней. Поскольку ширина гребня много меньше длины волны то частота металлодиэлектрического резонанса не зависит от угла паления а. Эти резонансы видны как горизонтальные линии на Рис. 3. При падении электромагнитной волны под некоторым углом, металлодиэлектрические и плазмонные резонансы гибридизируются, как показано черным кругом на Рис. 3. Совпадение резонансов дает максимальное усиление локального электрического поля. Примечательно, что серебро также наносится на боковые грани гребней, хотя в данный момент мы не полностью контролируем толщину боковой серебряной пленки.
Рис. 3. Компьютерное моделирование углового отражения; период гребней 560 нм, высота 80 нм, ширина 120 нм
Рис. 4. Спектры комбинационного рассеяния от молекул 4-МФБК, иммобилизованных на метаповерхностях с различными периодами гребней; сравнение с 4-МФБК на гладкой серебряной пленке
Нами исследованы спектры комбинационного рассеяния молекул 4-МФБК, нанесенных на образец, а также проведен сравнительный анализ сигнала комбинационного рассеяния от структурированных областей, состоящих из периодических гребней, с сигналом от молекул 4-МФБК, осаждённых на неструктурированную область образца (Рис. 4). Молекулы 4-МФБК через атомы серы ковалентно связаны с серебренной пленкой. Спектры ГКР, возбужденные лазерным излучением 785 нм (использован объектив 10X, мощность излучения P=140 мВт), регистрировались с помощью WiTec спектрометра. Спектральные линии обнаружены на частотах 690 см-1,1010 см-1, 1020 см-1,1080 см-1,1500 см-1,1580 см-1, что соответствует спектру 4-МФБК. Мы оцениваем усиление комбинационного рассеяния как G~104 ^105. Наблюдаемое усиление сигнала ГКР указывает, что метаповерхность может использоваться в качестве сенсора комбинационного рассеяния света.
В заключение, нами исследованы оптические свойства кремниевой метаповерхности, покрытой тонким слоем серебра. Результаты эксперимента и компьютерного моделирования указывают на возбуждения металлодиэлектрических резонансов, которые проявляются в усилении локального электрического поля и соответственных провалах в спектрах отражения. Достигнутое соотношение сигнала комбинационного рассеяния света к люминесценции позволяет рассматривать разработанные метаповерхности как эффективные ГКР сенсоры. Мы считаем, что усиление комбинационного рассеяния связано с большим локальным оптическим полем и образованием ковалентной связи между молекулами 4-МФБК и слоем серебра.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (Гранты № 17-08-01448 и 18-58-00048) и Президиума Российской академии наук (программа № 56).
Литература
1. SarychevA.K., IvanovA.V., LagarkovA.N., Barbillon G., Materials, 12,103-142 (2019)
2. Dykhne A.M., SarychevA.K., Shalaev V.M., Phys. Rev. B67, 195402 (2003)
272
№6 2Q19 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2Q19» [email protected]
