Шаруваті структури з металів і діелектриків використовуються для виявлення речовин в низьких концентраціях аж до окремих молекул. Вчені з центру фотоніки та двовимірних матеріалів мфті порівняли чутливість тонких золотих плівок на різних шаруватих структурах до модельної молекули для пошуку оптимальної основи сенсорів. Виявлені ефекти можуть поліпшити роботу надчутливих сенсорів, здатних розрізняти окремі молекули. Робота опублікована в журналі nanomaterials.

Гігантське комбінаційне розсіювання (гкр), або в англійському варіанті surface-enhanced raman scattering (sers), дозволяє виявляти хімічні сполуки в надзвичайно низьких концентраціях аж до окремих молекул. У методі гкр використовуються сильні електромагнітні поля, отримані за рахунок поверхневого плазмонного резонансу (колективних коливань електронного газу). Положення резонансу може бути «налаштоване» за допомогою різних параметрів наноструктур (таких як геометрія та/або склад, а також розмір і форма окремих наночастинок).

Один з найпростіших і дешевих методів виготовлення підкладок великих площ (що важливо для масового виробництва) заснований на використанні ультратонких металевих плівок поблизу порога перколяції. Для плівок в подібних структурах існує порогове значення товщини, при якому в них можливий рух електронів — поріг перколяції. Найбільш значно сигнал від досліджуваної речовини посилюється саме поблизу порога перколяції, в так званих «гарячих точках», які утворюються в міжчастинних / кластерних просторах коли відстань між ними становить близько 1-3 нм.

Незважаючи на простоту і відносну дешевизну, використовувані сьогодні структури такого типу мають відносно низьким коефіцієнтом посилення. Однак є можливість підвищити ефективність таких конструкцій-це використання гібридних структур, тобто включають кілька типів матеріалів. Одним із прикладів таких структур є гофровані металеві нанповерхні, відокремлені тонким діелектричним шаром від металевої підкладки.

Автори експериментально досліджували чутливість трьох різних структур до модельної молекули. На малюнку 1 схематично зображені досліджені зразки. Один з них являв собою шар золота на склі, другий-шарувату структуру золото / sio2 / золото на підкладці з кремнію, а третій — золото/sio2/графен/золото на підкладці з кремнію. Товщина верхнього шару золота, який і контактував з детектируемой молекулою, вибиралася близькою до порогу перколяції. Виявилося, що структури типу золото / sio2 / золото дозволяють отримати сигнал від молекули в 7 разів сильніше, ніж часто використовуваний шар золота на підкладці зі скла. При наявності графена між золотом і sio2 чутливість зразка до модельної молекули в 6 разів вище, ніж у золота на склі. Також графен виявився здатний знижувати флуоресцентний фон приблизно на 40%, що може бути вкрай корисно для практичних застосувань. Для підтвердження висновків автори провели моделювання, результати якого добре збіглися з отриманими експериментальними даними.

Малюнок 1. Структури, досліджені в експерименті: a-шар ультратонкого золота на склі, b-структура золото / sio2 / золото, c-структура золото / sio2 / графен / золото.молекули детектуються верхнім шаром золота. Джерело: nanomaterials.

» наші шаруваті структури можуть бути застосовані в якості сенсорів для рамановской спектроскопії. У розглянутих структурах загальне посилення поля відбувається завдяки комбінації декількох механізмів. Один з них пов’язаний з збудженням локалізованих поверхневих плазмонів в кластерах золота, розташованих найближче один до одного. Інший пов’язаний з збудженням щілинних плазмонів в тонкому діелектричному шарі між нижнім і верхнім шарами золота. Завдяки такій комбінації можна значно збільшити чутливість сенсора, тобто розрізняти ще більш низькі концентрації речовин. Однак при посиленні рамановского сигналу посилюється і флуоресцентний фон. Використання графена в експерименті дозволило пригнічувати цей фон в середньому на 40%. Це означає, що шаруваті структури в комбінації з графеном можна використовувати у вже існуючих сенсорах для поліпшення їх сенсорних властивостей», — доповнює сергій новіков, старший науковий співробітник лабораторії двовимірних матеріалів і нанопристроїв центру фотоніки і двовимірних матеріалів мфті.