В МФТИ определили, какие металлические структуры эффективнее выявляют вещества

Обнаруживать химические соединения даже в предельно низких концентрациях вплоть до единственной молекулы помогает гигантское комбинационное рассеяние (ГКР). В этой методике используются сильные электромагнитные поля, возникающие в результате поверхностного плазмонного резонанса — коллективных колебаний электронного газа. Настроить положение резонанса помогает подбор параметров различных наноструктур. Эти параметры — геометрия, состав, размер или форма наночастиц.

Для экономичного и простого изготовления подложек для применения ГКР используются ультратонкие металлические плёнки вблизи порога перколяции. Так называется пороговое значение толщины, при котором в плёнках сохраняется возможность движения электронов. Именно вблизи этого порога усиливается сигнал от исследуемого вещества — в так называемых «горячих точках», которые образуются в межчастичных кластерах, когда расстояние между ними составляет около 1-3 нм.

Однако сегодня такие структуры обладают довольно низким коэффициентом усиления. Возможность его повысить кроется в применении гибридных структур, включающих несколько типов материалов. Пример таких структур — гофрированные металлические наноповерхности, отделённые диэлектрическим слоем от подложки.

Учёные МФТИ рассмотрели чувствительность трёх разных структур к модельной молекуле. Всего было использовано три образца. Первый представлял собой слой золота на стекле, второй — структуру золото/SiO2/золото на кремниевой подложке, а третий — структуру золото/SiO2/графен/золото также на кремниевой подложке. Толщина верхнего слоя золота выбиралась близкой к порогу перколяции. Структуры типа золото/SiO2/золото оказались самыми оптимальными для выявления веществ. По сравнению с часто используемым золотом на стекле эти структуры усиливают сигнал вещества в 7 раз.

«Наши слоистые структуры могут быть применимы в качестве сенсоров для рамановской спектроскопии. В рассматриваемых структурах общее усиление поля происходит благодаря комбинации нескольких механизмов. Один из них связан с возбуждением локализованных поверхностных плазмонов в кластерах золота, расположенных наиболее близко друг к другу. Другой связан с возбуждением щелевых плазмонов в тонком диэлектрическом слое между нижним и верхним слоями золота. Благодаря такой комбинации можно значительно увеличить чувствительность сенсора, то есть различать еще более низкие концентрации веществ. Однако при усилении рамановского сигнала усиливается и флуоресцентный фон. Использование графена в эксперименте позволило подавлять этот фон в среднем на 40%. Это значит, что слоистые структуры в комбинации с графеном можно использовать в уже существующих сенсорах для улучшения их сенсорных свойств», — дополняет Сергей Новиков, старший научный сотрудник лаборатории двумерных материалов и наноустройств Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Фото: Nanomaterials