Оптические свойства планарных плазмон-активных поверхностей, модифицированных золотыми нанозвездами

Зюбин А.Ю., Кон И.И., Кундалевич А.А., Демишкевич Е.А., Матвеева К.И., Зозуля А.С., Евтифеев Д.О., Полторабатько Д.А., Самусев И.Г. Оптические свойства планарных плазмон-активных поверхностей, модифицированных золотыми нанозвездами // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2022. Т. 22, № 5. С. 824–831. doi: 10.17586/2226-1494-2022-22-5-824-831

Предмет исследования. Рассмотрены экспериментальные и теоретические результаты изучения оптических свойств планарных, модифицированных золотыми нанозвездами кварцевых поверхностей, полученных с применением спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния света. Созданы функционализированные нанозвезды поверхности — прототипы оптических сенсоров. Приведены результаты моделирования, химического синтеза и исследования оптических и морфологических свойств исследованных структур. Метод. Предложен комплексный метод создания и оценки оптических свойств планарных наноструктур. Моделирование реализовано с использованием метода конечных разностей во временной области (FDTD, Finite-Difference Time-Domain) напряженности электрического поля вблизи поверхностей нанозвезд золота в коллоидных растворах и на кремниевой поверхности. При проведении моделирования учтены такие параметры, как размер частиц и зависимость эффективного усиления электромагнитного поля от морфологических параметров нанозвезд. Представлена перспективность теоретического подхода к расчетам рассмотренных структур, их химического синтеза и исследования оптических свойств. Основные результаты. Выполнен расчет параметров электрического поля и оптических свойств вблизи нанозвезд разных размеров. Параметры рассчитаны методом конечных разностей во временной области. Определены оптимальные размеры нанозвезд при изменении толщины поверхностных слоев для получения максимальных значений рассеяния и дальнейшего использования исследованных структур гигантского комбинационного рассеяния света в экспериментах. Выполнен синтез нанозвезд, исследованы их оптические и морфологические свойства, а также проведена функционализация кварцевых поверхностей и созданы прототипы сенсоров с целью дальнейшей оценки усиления сигнала (комбинационного рассеяния света). По результатам математического моделирования определены оптимальные размеры для синтеза нанозвезд, который осуществлен двухступенчатым химическим методом с использованием зародышевых частиц. Для проведения экспериментальной части по получению спектров гигантского комбинационного рассеяния применен спектрометр Centaur U (ООО «НаноСканТехнология», Россия). Спектрометр оснащен тремя источниками: He-Ne лазером (λ = 632,8 нм, 17 мВт) и двумя DPSS лазерами (λ = 532 нм и λ = 473 нм, 50 мВт). В процессе проведения эксперимента использованы He-Ne лазер и DPSS лазер с длиной волны λ = 532 нм. В оптическую схему спектрометра включен микроскоп Olympus BX41 (Olympus, Япония) с объективом 100× (NA 0,9) для позиционирования луча и сбора рассеянных фотонов. Монохроматор спектрометра имеет фокусное расстояние 800 мм, голографическую дифракционную решетку 300 шт/мм и снабжен термоэлектрическим охлаждаемым ПЗС-детектором 1024 × 256 пикселов (Andor Tech., Великобритания). Практическая значимость. В результате работы получены функционализированные наночастицы поверхности — прототипы оптических сенсоров. Показано, что экспериментальный коэффициент усиления сигнала комбинационного рассеяния света может составлять не менее чем 104 раз. Полученные результаты могут служить основой для получения необходимых размеров нанозвезд в методах контролируемого химического синтеза коллоидных наночастиц. Результаты могут быть применены для разработки биосовместимых и высокочувствительных оптических сенсоров на базе эффекта комбинационного рассеяния света.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License