Ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ сравнили чувствительность тонких золотых пленок на разных слоистых структурах к модельной молекуле для поиска оптимальной основы сенсоров. Для этого они проанализировали слоистые структуры из металлов и диэлектриков, которые используются для выявления веществ в низких концентрациях вплоть до отдельных молекул. Все обнаруженные эффекты в дальнейшем будут использованы для создания сверхчувствительных сенсоров, способных различать и определять отдельные молекулы.
Гигантское комбинационное рассеяние (ГКР), или в английском варианте surface-enhanced Raman scattering (SERS), позволяет обнаруживать химические соединения в чрезвычайно низких концентрациях вплоть до отдельных молекул. В этом методе используются сильные электромагнитные поля, которые получаются при участии поверхностного плазмонного резонанса. Этот резонанс можно настроить, используя различные параметры наноструктур, например, изменив их геометрию или состав.
Сейчас одним из популярных методов изготовления подложек является использование ультратонких металлических пленок вблизи порога перколяции (значение толщины, при котором в них возможно движение электронов) – так на производствах можно производить подложки больших площадей. Наиболее значительно сигнал от исследуемого вещества усиливается именно вблизи порога перколяции, в так называемых «горячих точках», которые образуются в межчастичных/кластерных пространствах, когда расстояние между ними составляет около 1-3 нм. И несмотря на простоту и относительную дешевизну, используемые сегодня структуры такого типа обладают относительно низким коэффициентом усиления.
Эту задачу и взялись решить ученые. В теории повысить эффективность можно, используя гибридные структуры, то есть включающие несколько типов материалов. Одним из примеров таких структур являются гофрированные металлические наноповерхности, отделенные тонким диэлектрическим слоем от металлической подложки.
С помощью экспериментов ученые исследовали чувствительность трех разных структур к модельной молекуле. Для этого использовались следующие образцы: слой золота на стекле, слоистое золото/SiO2/золото на подложке из кремния и слои золото/SiO2/графен/золото на подложке из кремния. Оказалось, что структуры типа золото/SiO2/золото позволяют получить сигнал от молекулы в семь раз сильнее, чем часто используемый слой золота на подложке из стекла. При наличии графена между золотом и SiO2 чувствительность образца к модельной молекуле в шесть раз выше, чем у золота на стекле. Также графен оказался способен снижать флуоресцентный фон примерно на 40%, что может быть крайне полезно для практических применений. Для подтверждения выводов авторы провели моделирование, результаты которого хорошо совпали с полученными экспериментальными данными.
Сергей Новиков, старший научный сотрудник лаборатории двумерных материалов и наноустройств Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, отметил, что разработка может быть эффективно использована в изготовлении сенсоров для романовской спектроскопии. Также слоистые структуры в комбинации с графеном можно использовать в уже существующих сенсорах для улучшения их сенсорных свойств.
Источник: «Научная Россия»
распечатать статью
