Тема: ПЛАЗМОННЫЕ РЕЗОНАНСЫ В ТОНКИХ ПЛЁНКАХ СЕРЕБРА

Поверхностные плазмоны (ПП) - волны электронной плотности, распространяющиеся на границе раздела металл-диэлектрик. Такие волны могут быть резонансно возбуждены с помощью фотона или электрона, что в результате приведёт к сильному поглощению, называемому «поверхностным плазмонным резонансом» (ППР). Данный эффект был впервые обнаружен в 1902 г. [1], но лишь спустя 50 лет было понято его происхождение и объяснено само явление
[2] .
В конце 60-х годов, две независимые группы ученых, проводящих исследования в этой области, обнаружили, что при попадании луча света в призму, основание которой покрыто очень тонким слоем металла, поверхностный плаз- мон может распространяться между металлом и внешней средой с каждой стороны, проникая в каждую из этих сред на глубину нескольких нанометров [3,4].
Условия существования явления ППР чрезвычайно чувствительны к состоянию поверхности металла. Поэтому данный эффект лежит в основе хорошо разработанных аналитических экспериментальных методов для исследования различных переходных слоев и тонких (толщиной много меньше длины волны зондирующего излучения) пленок.
В настоящее время ППР широко используется в различных областях науки и техники: от создания элементов квантовых компьютеров до химических и биологических сенсоров.
В первом случае устройства, работающие на эффекте ППР, могут использоваться в интерфейсах для связи между процессором, работающим при низких температурах, и внешними компонентами, находящимися при комнатной температуре.
Во втором же случае, при контакте с биообъектами (ДНК, вирусы, антитела) плазмонные эффекты позволяют более чем на порядок увеличить интенсивность сигналов флуоресценции или комбинационного рассеяния, тем самым значительно расширяют возможности обнаружения, идентификации и диагностики биологических объектов. В 80-х годах ХХ века чувствительность данного метода впервые позволила осуществить исследование взаимодействия антите- ло/антиген без привлечения каких-либо меток (флуоресценция, ферментативные реакции и т.д.) [5].
Классическим плазмонным материалом является серебро. Преобразование света в плазмоны в нем в конфигурации Кречмана может достигать почти 100%-й эффективности. Поэтому тонкие пленки серебра представляются дешевой и технологичной заменой золоту в гетероструктурах для магнитоплазмон- ных приложений. Наилучшими плазмонными свойствами пленки серебра будут обладать в случае их монокристалличности с минимальным числом дефектов.
Серебро имеет кубическую гранецентрированную структуру с постоянной решетки 4.085 А. Хорошей подложкой для синтеза эпитаксиальных пленок серебра является оксид магния MgO, постоянная решетки которого равна 4.212 А (несоответствие постоянных решетки - 3. 0%).
Целью настоящей работы было исследование специфики плазмонных резонансов в тонких пленках серебра различной морфологии - сплошных и спонтанно распавшихся на изолированные друг от друга островки. Такого сорта структуры могут использоваться для аналитических исследований веществ оптическими методами, особенно тогда, когда исследуемого вещества очень мало, но нужно зарегистрировать его спектры люминесценции или комбинационного рассеяния.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Выполнить синтез эпитаксиальных плёнок серебра на подложках из MgO.
2. Охарактеризовать полученные образцы в отношении кристаллической структуры и морфологии.
3. Изучить плазмонные свойства получившихся образцов и сравнить полученные данные с результатами численного моделирования.
4. Предложить возможные объяснения полученных результатов.
Объекты исследования и предмет исследования. В настоящей работе исследовались пленки серебра, полученные методом молекулярно-лучевой эпитаксии при их осаждении на кристаллические подложки MgO с ориентацией (001) в условиях сверхвысокого вакуума.
Публикации:
• Лопатина А.А. Плазмонные резонансы в эпитаксиальных пленках серебра, приготовленных методом магнетронного распыления // Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий: сб.тезисов X Юбилейной международной научно-технической конференции (Казань, 5-8 ноября 2018г.) - Казань: Изд-во Казан.ун-та, 2018. (сборник в печати, индексация в РИНЦ).
• Лопатина А.А. Плазмонные резонансы в эпитаксиальных пленках серебра, приготовленных методом магнетронного распыления // Низкотемпературная плазма в процессах нанесения функциональных покрытий: сб.статей X Юбилейной международной научно-технической конференции (Казань, 5-8 ноября 2018г.) - Казань: Изд-во Казан.ун-та, 2018. (сборник в печати, индексация в РИНЦ).
• Лопатина А.А. Плазмонные резонансы в тонких плёнках серебра //Итоговая научно-образовательная конференция студентов Казанского федерального университета 2019 года: сб. тезисов. - Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2019. (сборник в печати)
Купить

1. На монокристаллических подложках MgO с ориентацией (001) и AI2O3 методом молекулярно-лучевой эпитаксии в условиях сверхвысокого вакуума были выращены эпитаксиальные пленки серебра, как сплошной, так и островковой морфологии. Островки имеют характерные размеры порядка сотен нанометров в плоскости при толщине 50-52 нм.
2. Наблюдение контрастной картины дифракционных максимумов низкоэнергетических электронов на сплошной пленке серебра, когерентной с картиной, наблюдаемой от подложки MgO, свидетельствует о высокой степени кристалличности и эпитаксии типа «куб на кубе».
3. Методом Кречмана исследованы плазмонные резонансы на синтезированных пленках. Количественное описание резонансной кривой для сплошной пленки серебра показало наличие слоя оксида Ag2O на ее свободной поверхности. В момент проведения измерений толщина окисла составляла ~ 4 нм.
4. Для пленок серебра с островковой морфологией наблюдался так называемый инвертированный плазмонный резонанс, проявляющийся в виде максимума в зависимости коэффициента отражения от угла падения света. Предложено качественное объяснение эффекта, предполагающее возбуждение на островках как локализованных, так и бегущих плазмонов, и учитывающее специфику их переизлучения в зависимости от угла.

Купить