КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 1, с. 137-144
ПОВЕРХНОСТЬ, ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 539.234+549.086+535.375.54+543.424.2
УСИЛЕНИЕ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА В СУБВОЛНОВЫХ ПЛАЗМОННЫХ НАНОСТРУКТУРАХ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ИННО-ЛУЧЕВОЙ ЛИТОГРАФИИ
© 2014 г. Д. А. Мамичев1, И. А. Кузнецов1, А. В. Андреев2, А. А. Коновко2, В. А. Дрынкин2,
И. С. Смирнов3
1 Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"НБИКС-Центр, Москва
E-mail: d_mamichev@mail.ru 2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 3Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", Москва
Поступила в редакцию 24.06.2013 г.
Методом ионно-лучевой литографии получены субволновые решетки с оптимизированной архитектурой, соответствующей спектральному положению резонансов на требуемых длинах волн. Проведено исследование структурных и оптических свойств полученных наноструктур. Показано, что экспериментальные спектры пропускания (отражения) хорошо описываются теоретическими, полученными в рамках модели собственных мод периодической решетки. Проведены исследования комбинационного рассеяния света молекул веществ, адсорбированных на поверхности решеток с оптимизированной архитектурой, которые показали, что наблюдается усиление интенсивности сигнала комбинационного рассеяния света от изучаемых молекул до 104 раз. Данные наноструктуры могут быть использованы в качестве основы для создания высокочувствительных сенсоров и различных элементов оптоэлектроники.
DOI: 10.7868/S0023476114010081
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день наноплазмоника является бурно развивающимся направлением, что обусловлено уникальными свойствами поверхностных плазмонов (ПП), а также активными исследованиями, ведущимися в области метаматериа-лов [1, 2]. Поверхностные плазмоны представляют собой связанные колебания электронной плотности и электромагнитного поля (ЭП). При этом данные поверхностные электромагнитные волны сильно локализованы на границе раздела сред [3, 4]. Это позволяет реализовать высокую степень локализации взаимодействия света с веществом и эффективное связывание излучения металлическими наноструктурами, что дает возможность существенно уменьшить размеры различных оптоэлектрон-ных устройств, которые могут найти применение в таких областях, как сенсорика, хранение и обработка данных, телекоммуникации и солнечная энергетика. В частности, оптические сенсоры на основе спектроскопии поверхностного плазмон-ного резонанса (ППР) и гигантского комбинационного рассеяния света (ГКР) получили широкое распространение, так как позволяют с высокой чувствительностью проводить детектирование различных химических и биологических веществ, а также обладают небольшими размерами и имеют невысокую стоимость [5, 6].
Для построения таких сенсоров требуются структуры, в которых наблюдается эффективное возбуждение ПП на требуемых длинах волн. В настоящее время в качестве таких систем используют тонкопленочные металл-диэлектрические структуры или наноструктуры на основе металлов [7]. Обычно для возбуждения ПП в видимом диапазоне спектра используют либо благородные металлы, такие как золото и серебро, либо алюминий и медь. Использование этих металлов обусловлено их оптическими свойствами, позволяющими проводить эффективную генерацию ПП в тонких пленках или наноструктурах на их основе [8]. В частности, для построения ППР-сенсоров используются схемы, основанные на эффекте нарушенного полного внутреннего отражения на границе раздела металл— диэлектрик (призменные и волноводные схемы) [6]. В качестве ГКР-активных подложек наиболее часто используют электрохимически обработанные металлические электроды, островковые металлические пленки, коллоидные растворы металлических наночастиц, а также наноструктуры, полученные литографическими методами [6, 9]. Однако достаточно трудно изготовить электрохимически обработанные металлические поверхности и островко-вые металлические пленки, которые давали бы воспроизводимые результаты, а при использовании коллоидных растворов металлических нано-
частиц существенной проблемой является их агрегация.
Отметим, что разработка наноструктур, в которых наблюдается эффективное возбуждение ПП на необходимых длинах волн, требует развития теоретических моделей, объясняющих зависимость оптических характеристик наноструктур от структурных параметров и диэлектрических свойств используемых материалов. В связи с этим для целенаправленного изготовления наноструктур с контролируемыми и воспроизводимыми оптическими свойствами необходим комплекс теоретических методик расчета оптических характеристик наноструктур.
Наиболее адаптивными в плане варьирования плазмонных характеристик оказываются планар-ные наноструктуры, созданные на основе тонких пленок металлов посредством высокоразрешающей литографии, позволяющей создавать нано-объекты различной архитектуры с высоким качеством поверхности. Среди планарных наноструктур следует выделить структуры, имеющие архитектуру субволновых решеток. Такие наноструктуры просты в изготовлении и позволяют достаточно эффективно управлять светом, так как изменение структурных параметров решетки или геометрии возбуждения дает возможность плавного изменения спектрального положения ре-зонансов и их интенсивности. Также отметим, что получение наноструктур включает в себя основные этапы современной микро- и наноэлектронной технологии, что дает возможность их серийного производства и интеграции в устройства микроэлектроники.
В настоящей работе проведены теоретические и экспериментальные исследования оптических свойств субволновых решеток, изготовленных на основе золота. Теоретическое моделирование позволило выявить связь оптических свойств на-норешеток с их структурными параметрами и найти оптимальную архитектуру, соответствующую резонансным явлениям на требуемых длинах волн. На основании теоретических расчетов были изготовлены субволновые нанорешетки с оптимизированными структурными параметрами, в которых наблюдаются резонансные явления на длине волны 488 и 633 нм. Исследованы структурные параметры и оптические свойства полученных наноструктур. Также исследовано комбинационное рассеяния света (КРС) молекулами различных веществ, адсорбированных на поверхность наноструктур с оптимизированными структурными параметрами.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Получение субволновых нанорешеток с оптимизированной архитектурой проводилось в три этапа: нанесение буферного слоя оксида иттрия
(Y2O3) на подложку, напыление пленки золота на подложку c буферным слоем с in situ контролем ее толщины с помощью рентгеновской рефлектомет-рии, получение нанорешетки посредством ионно-лучевой литографии фокусированными пучками. В качестве подложек использовались подложки из плавленого кварца, что обусловлено высоким коэффициентом пропускания и отсутствием дисперсии диэлектрической проницаемости в видимом диапазоне спектра. Перед нанесением буферного (Y2O3) и активного (Au) слоев кварцевые подложки проходили очистку в ультразвуковой ванне в течение 15 мин в эталонном ацетоне. После этого посредством импульсного лазерного осаждения на подложках формировалась пленка буферного слоя оксида иттрия толщиной 5 нм, которая необходима для улучшения адгезии пленки золота и, как следствие, качества ее поверхности. Осаждение пленки оксида иттрия происходило в вакууме при температуре подложки 600° C и энергии лазерных импульсов, равной 90 мДж (KrF-лазер, X = 248 нм). После формирования буферного слоя наносилась пленка золота толщиной 35 нм посредством магнетронного напыления. Получение нанорешеток происходило с помощью двулуче-вой системы Quanta FEI. Ионно-лучевая литография фокусированными пучками (Ga+) позволяет безмасковым способом получать высокоупорядо-ченные наноструктуры различной архитектуры с высоким качеством поверхности. Были изготовлены и исследованы наноструктуры с различным периодом и шириной щели с толщиной нанонити h = 35 нм. Полученные нанорешетки имели линейный размер 100 х 100 мкм. Контроль структурных параметров, качества поверхности наноструктур и формы золотых нанонитей проводился с помощью методов растровой электронной микроскопии (РЭМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ). Спектры пропускания и отражения нанорешеток измерялись при помощи оптической системы на базе оптоволоконного спектрометра в спектральном диапазоне 400—1100 нм при падении на образец поляризованного излучения. Вектор электрического поля падающей волны был ориентирован либо перпендикулярно (p-поляризация), либо параллельно (s-поляризация) по отношению к золотым нанонитям. Исследования КРС молекул веществ, адсорбированных на поверхности нанорешеток, проводились с помощью установки конфокальной рамановской спектроскопии НТ-МДТ Интегра Спектра при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 488 и 633 нм. Все исследования проводились при комнатной температуре.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В [10, 11] показано, что в субволновых решетках, полученных методом ионно-лучевой лито-
УСИЛЕНИЕ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА
139
графии фокусированными пучками, наблюдается возбуждение ПП в видимом диапазоне спектра. При этом спектральное положение резонансных пиков в спектрах пропускания оказывается по порядку величины близким к значениям периода решетки. Кроме того, показано, что в зависимости от фактора заполнения решетки наблюдается возбуждение ПП различных типов — бегущих или локальных. Возбуждение ПП приводит к возрастанию величины ЭП вблизи поверхности наноструктур и вследствие этого к значительному увеличению эффективности процессов рассеяния молекулами, адсорбированными на поверхности решетки. Увеличение интенсивности линий КРС исследуемых веществ в спектроскопии ГКР в основном связывают с возбуждением ПП [12]. Интенсивность КРС сильно возрастает с увеличением поля (~Е4, где Е — напряженность электрического поля), поэтому интенсивность линий КРС молекул изучаемого вещества, адсорбированных на плазмон-активную подложку, будет максимальной при выполнении условий плазмонного резонанса.
Из сказанного следует, что для достижения наибольшего усиления сигнала КРС от адсорбированных на поверхнос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.