CC BY
289
ФИЗИКА
УДК 53.043, 535.015
А.В. СМИРНОВ, АЛ. ИВАНОВ,
В. Д. КОЧАКОВ, А.И. ВАСИЛЬЕВ
ПЛАЗМОННЫЙ РЕЗОНАНС В НАНОСТРУКТУРАХ СЕРЕБРО-НИКЕЛЬ*
Ключевые слова: плазмонный резонанс, тонкие пленки, поверхностные плазмоны.
Рассмотрены особенности проявления поверхностного плазмонного резонанса в оптических спектрах пленочных наноструктур Ag—Ni с различным долевым соотношением компонентов и толщин. Наноструктуры формировались на стеклянных подложках термическим испарением в вакууме.
A.V. SMIRNOV, A.L. IVANOV, V.D. KOCHAKOV, A.I. VASILYEV PLASMON RESONANCE IN SILVER-NICKEL NANOSTRUCTURE
Key words: plasmon resonance, thickness films Ag-Ni, surface plasmons.
The present article considers the specific features of display of surface plasmon resonance in the optical spectra of Ag—Ni nanostructure films with different equity ratio of the components and thickness. Nanostructures were formed on glass substrates by thermal evaporation in a vacuum.
Интересными свойствами обладают металлические наночастицы благодаря проявлению у них в УФ и видимом диапазонах полос резонансного плазмонного поглощения (или так называемых поверхностных мод), возникающих вследствие коллективных колебаний свободных электронов [1]. Плазмонный резонанс на малых частицах благородных металлов успешно используется для детектирования биомолекул [2, 3], а положительные результаты борьбы с онкологическими заболеваниями введением в пораженные ткани наночастиц золота [4] свидетельствуют об эффективности применения плазмонных структур в медицине.
В настоящей работе исследованы оптические спектры и топология поверхности наноструктур Ag-Ni разного долевого состава и толщин.
Методика эксперимента. Тонкоплёночные структуры получали на подложках из стекла методом термического испарения и конденсации в вакууме при остаточном давлении воздуха 2х10"3 Па, на вакуумной установке УВР-3М. Были изготовлены как однокомпонентные (из серебра и никеля по отдельности), так и двухкомпонентные структуры (серебро и никель) с различными толщинами и составом. Далее образцы подвергались термической обработке - нагреву в вакууме до 450°C и последующему охлаждению на воздухе. Для записи спектров пропускания использовался спектрофотометр «Lambda-25», в исследовании топографии поверхности использовался микроскоп «SOLVER NEXT».
Полученные результаты и их обсуждение. До термообработки образец Ag-Ni представляет собой электропроводящую островковую структуру с характерными размерами кластеров от 200 до 500 нм и высотой от 3 до 40 нм (рис. 1).
* Исследование выполнено в рамках проекта № 2.1.1/1016 «Синтез многослойных металлоуглеродных пленок на основе линейно-цепочечного углерода» Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)».
Рис. 1. Топология поверхности структуры Ag-Ni до термообработки
Спектр пропускания системы Ag-Ni похож на спектр пропускания серебра и характеризуется пиком пропускания на длине волны 323 нм (рис. 2).
После термообработки в вакуумной печи и последующего остывания на воздухе в образцах произошли качественные изменения. На спектре пропускания (рис. 3) появился пик поглощения, имеющий максимум на длине волны ~ 425 нм.
В зависимости от толщины напыленного слоя Ag-Ni при тех же условиях термообработки происходит смещение пика в длинноволновую область при увеличении толщины слоя. При увеличении напыленного слоя после отжига у образцов остается электрическая проводимость.
Топология поверхности также претерпевает значительные изменения. Так, после отжига у непроводящей системы Ag-Ni поверхность представляет собой кластерную систему (рис. 4), состоящую из нескольких кластеров эллипсоидальной формы. Характерные размеры группы 400-800 нм. Частиц в группе 200300 нм для большой полуоси и 200-300 для малой полуоси высотой до 20 нм.
5атрІе470.5атрІе 28,415 %Т стекло-НМі+Ад т-о
Рис. 3. Спектр пропускания структуры Ag-Ni (непроводящей) после термообработки
ш /пт
1
к, Гвоо
• - к Аоо
600 400 Г.200
Рис. 4. Топология поверхности системы Ag-Ni (непроводящей) после термообработки
Для проводящего после термообработки образца топология представляет собой вид равносторонних треугольных кластеров с шириной основания 150200 нм и высотой до 30 нм. По-видимому, они представляют собой кристаллиты никеля и обеспечивают проводимость образца.
Спектральное положение максимума полосы поверхностного резонансного плазмонного поглощения (ПРПП) для металлических наночастиц определяется условием Фрелиха во = -2вт (где во и вт - диэлектрические проницаемости металлической частицы и окружающей среды, соответственно) [1]. При этом предполагается, что частицы являются непоглощающими. Увеличение толщины слоя приводит к уширению полосы поглощения и ее сдвигу в длинноволновую область. Для проводящего образца максимум поглощения приходится на длину волны 430 нм. Основными причинами указанных изменений полосы ПРПП (при переходе к структурам с большим содержанием металла) являются усиление латеральных электродинамических взаимодействий между наночастицами при увеличении их концентрации [1, 5], а также возбуждение поверхностных мод более высоких порядков в укрупненных наночастицах [6].
В коротковолновом диапазоне длин волн определяющее влияние на оптические спектры оказывает поглощение, обусловленное суммарным эффектом меж-
зонных переходов у серебра и никеля. При прохождении электромагнитного излучения через наноструктуры разного состава может измениться вклад рассеяния. Нельзя исключить также и возможное влияние ряда более тонких факторов, связанных с особенностями взаимного расположения атомов и нанокластеров, образованием оксидной оболочки после термообработки.
В тонкой пленке, окруженной воздухом, энергия объемного плазмона
равна Нщр, а энергия поверхностного плазмона - Люр/ V2. Расчет дает возможность связать наблюдаемые максимумы пропускания ~ 322-325 нм и поглощения ~ 425-430 нм именно с возбуждением объемных и поверхностных плазмонов. Следующим в этом семействе является плазмон с энергией Нщ/л/3 , который надеемся зарегистрировать в последующих экспериментах.
Таким образом, оптические спектры, сформированные на стеклянных и кварцевых подложках в вакууме наноструктур Ag-Ni с различными долевыми соотношениями компонентов и значениями поверхностной плотности материалов, характеризуются изменениями спектрального положения максимума, ширины и интенсивности полос поглощения. Это обусловлено изменениями размера островков, степени заполнения поверхности подложки, внутренних механических напряжений и условий на границах нанофаз серебро-никель и их оксидов. Варьирование толщины наноструктур и различный долевой состав позволяют получать дополнительные возможности по управлению характеристиками полос плазмонного поглощения.
Литература
1. Борен К. Поглощение и рассеяние света малыми частицами / К. Борен, Д. Хафмен. М.: Мир, 1986. 660 с.
2. Ченга Р. Гигантское комбинационное рассеяние: пер. с англ. / Р. Ченга, Т. Фуртака. М.: Мир, 1984. 408 с.
3. Parak W.J. Biological applications of colloidal nanocristalls / W.J. Parak, D. Gerion, T. Pellegrino, D. Zanchet, C. Micheel, S.C. Williams, R. Boudreau, M.A. Le Gros, C.A. Larabell, A.P. Alivisatos // Nanotechnology. 2003. Vol. 14, № 7. P. R15-R27.
4. Pitsillides C.M. Selective Cell Targeting with Light-Absorbing microparticles and Nanoparticles / CM. Pit-sillides, E.K. Joe, X. Wei, R.R. Anderson, CH.PLin // Biophisical Jornal. 2003. Vol. 84, №2 6. P. 4023-4032.
5. Zamkovets A.D. Optical Properties of Thin-Film Metal-Dielectric Nanocomposites / A.D. Zamkovets, S.M. Kachan, A.N. Ponyavina // Physics and Chemistry of Solid State. 2003. Vol. 4, №2 4. P. 628-632.
6. Kreibig U. Optical Properties of Metal Clusters / U. Kreibig, M. Vollmer. Berlin: Springer Verlag, 1995. 533 p.
СМИРНОВ АЛЕКСАНДР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ - аспирант кафедры теплофизики, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (fizteh21@yandex.ru).
SMIRNOV ALEXANDER VYACHESLAVOVICH - post-graduate student of Thermal Physics Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
ИВАНОВ АНАТОЛИЙ ЛЕОНИДОВИЧ - старший преподаватель кафедры теоретической физики, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (alivanovz@yandex.ru).
IVANOV ANATOLIY LEONIDOVICH - senior lecturer of Theoretical Physics Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
КОЧАКОВ ВАЛЕРИЙ ДАНИЛОВИЧ - кандидат физико-математических наук, профессор кафедры теплофизики, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (kocherishca@mail.ru).
KOCHAKOV VALERIY DANILOVICH - professor of Thermal Physics Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
ВАСИЛЬЕВ АЛЕКСЕЙ ИВАНОВИЧ - аспирант кафедры теплофизики, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (ljosha@mail.ru).
VASILYEV ALEKSEY IVANOVICH - post-graduate student of Thermal Physics Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
