Плазмонно-диэлектрическая наноструктура «наноалмаз в чашке» для усиления флуоресценции SiV-центров Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

SSjmSS 18-20 октября 2022 г

Плазмонно-диэлектрическая наноструктура

«наноалмаз в чашке» для усиления флуоресценции SiV-центров.

1 2 3

Ромшин А.М. , Грициенко А.В. ' , Мартьянов А.К.1, Орлов А.П.4

1- Федеральный исследовательский центр «Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук», Москва 2- Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва 3- Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Долгопрудный 4- Институт радиотехники и электроники Российской академии наук, Москва Е-mail: alex_31r@,mail. ru

DOI: 10.24412/cl-35673-2022-1-77-79

Квантовые технологии открывают широкие возможности в передаче и обработке информации [1, 2]. Для успешного функционирования таких платформ необходимо развивать методы получения квантовых эмиттеров с высокой частотой следования в узком спектральном интервале и ограниченном телесном угле. С целью удовлетворения этим требованиям фотонные эмиттеры помещают в микрорезонаторы [3, 4].

В настоящей работе мы исследуем взаимодействие фотонных эмиттеров в твердотельной матрице с новой плазмонной наноантенной. Такая наноантенна представляет собой субмикронное цилиндрическое углубление (ЦУ) на поверхности золотой пленки, напыленной на кристаллический кремний, и поддерживает резонанс возбуждения на 530 нм. В качестве эмиттеров мы используем отрицательно заряженные центры «кремний-вакансия» (SiV ) в алмазных наночастицах, полученных CVD-методом. Обладая узкой бесфононной линией (БФЛ), высокой спектральной и временной стабильностью, SiV-центры являются перспективными фотонными эмиттерами [5].

Первоначально алмазные наночастицы изучались на поверхности золотой пленки, а затем при помощи стеклянного

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ, АКТИВНЫЕ СРЕДЫ И НАНОСТРУКТУРЫ

нанокапилляра прецизионно перемещались в предварительно выбранное цилиндрическое углубление (см. рис. 1а).

(а) (б)

>->» ND1

' 7

GNP 4 ^ V

0.0 2.5 5.0 7.5 Мощность возбуждения [мВт]

720 730 740 750 Длина волны [нм]

760

0 1 2 3 4 5 Координата перетяжки [мкм]

- ND1-GNP - GNP - ND1-G

Рис. 1. (а) — СЭМ-изображение цилиндрического углубления в золотой пленке с алмазной наночастицей размером 160 нм. (б-в) — Спектры флуоресценции и кривые насыщения SiV-центров в НА на поверхности золотой пленки (ND1-G, оранжевая кривая) и внутри ЦУ (ND1-GNP, синяя кривая). (г) — профили изображения перетяжки пучка лазерного возбуждения на длине волны 532 нм для ЦУ (GNP-gold nanopit, красная кривая), НА на поверхности золотой пленки (ND1-G-nanodiamond on gold, оранжевая кривая) и НА внутри ЦУ (ND1-GNP-nanodiamond in gold nanopit, синяя кривая).

На каждом этапе алмазные наночастицы исследовались методом конфокальной спектроскопии. На рис. 1б представлены

SSjmSS 18-20 октября 2022 г

спектры SiV-флуоресценции, полученные для одной и той же алмазной наночастицы на поверхности золотой пленки (ND1-G) и в ЦУ (ND1-GNP) при мощности возбуждения P = 2.5 мВт на длине волны 532 нм (*100, NA=0.95). Видно, что при взаимодействии с наноантенной интенсивность БФЛ существенно увеличивается f = indi-gnp/indi-g ~ 50. Характер изменения насыщения флуоресценции раскрывается на рис. 1в. Измеренная зависимость

I(P) аппроксимируется кривой /(Р) =-, где Psat — мощность

p+psat

насыщения, I ш — интенсивность насыщения флуоресценции. Сравнивая I шдля ND1-G и ND1-GNP, получаем максимальный фактор усиления флуоресценции Fmax = 62 раза.

Для выявления механизмов, участвующих в усилении, мы провели измерения отражения перетяжки лазерного возбуждения. Как видно из рис. 1г, экстинкция возбуждающего излучения для НА в наноантенне существенно выше, чем для НА на поверхности золота PndV^ndi-gnp ~ 8. Также были проведены измерения времени жизни флуоресценции, не обнаружившие существенных изменений данной характеристики. Таким образом, увеличение сигнала SiV-флуоресценции преимущественно связано с более эффективным возбуждением центров окраски входным когерентным излучением, что открывает новые возможности для разработки экономичных квантовых платформ.

Работа была поддержана грантом Российского научного фонда № 22-19-00324.

1. Lo H.-K., Curty M., Tamaki K. Nat. Photonics. 2014, 8, 595-604.

2. Kimble H.J. Nature. 2008, 453, 1023-1030.

3. Akselrod G., Argyropoulos C., Hoang T. et al. Nature Photon. 8, 835840.

4. Benedikter J., Kaupp H., Hümmer, et al. Physical Review Applied. 2017, 7(2), 024031.

5. Vlasov I.I., Barnard A.S., Ralchenko, et al., Advanced Materials. 2009, 21(7), 808-812.