Последняя работа ученых из США показала, что использование в качестве подложек двумерных материалов позволяет существенно улучшить методику спектроскопии гигантского (поверхностно-усиленного) комбинационного рассеяния. Этот новый результат в перспективе позволит лучше понять данную исследовательскую методику, которая обычно применяется при создании лекарственных препаратов, в материаловедении, археологии, криминалистике, при обнаружении следов наркотических веществ, а также для анализа качества продуктов питания и выявления присутствия биомолекул.

Использование эффекта Рамана (комбинационного рассеяния) – хороший способ идентификации отдельных молекул при очень низких концентрациях.

Среди многочисленных методов улучшение методики спектроскопии комбинационного рассеяния на сегодняшний день наиболее изученной остается так называемое гигантское (поверхностно-усиленное) комбинационное рассеяние (surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS).

Данная методика на повестке дня исследовательских групп уже около 40 лет. Однако до сих пор механизмы, лежащие в основе усиления сигнала комбинационного рассеяния, до конца не изучены. Гигантское комбинационного рассеяние проявляется, благодаря молекулам, адсорбированным на неровной металлической поверхности, или плазмонным наноструктурам. Коэффициент усиления может быть выше 10¹⁰ или 10¹¹, что означает, что техника позволяет выявлять присутствие единичных молекул.

Применяется два основных механизма, позволяющих получить гигантское комбинационное рассеяние: увеличение интенсивности локальных электромагнитных полей вокруг металлических структур (электромагнитный механизм) и химическое взаимодействие между образцом и подложкой, на которую тот помещен (химический механизм). Второй механизм обычно сложно выявить и использовать во благо, поскольку по своим масштабам он оказывает меньшее воздействие, нежели электромагнитный механизм, соответственно, часто им маскируется.

Теперь же группа ученых из Massachusetts Institute of Technology (США) решила сосредоточиться на изучении именно второго механизма. Для этого исследователи обратили внимание на двумерные материалы. Наиболее известным среди них является графен (лист атомов углерода, образующих двумерную гексагональную кристаллическую решетку).

С точки зрения изучения гигантского комбинационного рассеяния этот материал является одним из наиболее интересных, поскольку его спектр уже хорошо изучен. Кроме того, образцы графена практически идеальной структуры (без дефектов) можно производить сегодня достаточно легко. Размерами этих образцов можно управлять в атомарном масштабе, что дает возможность получить «чистый» комбинационный сигнал.

Ранее уже было известно, что

двумерные материалы (не только графен, но и его аналоги) значительно усиливают комбинационное рассеяние именно посредством химического механизма. Американские ученые сосредоточились на изучении природы этого усиления. В их работе двумерные материалы позволили выделить влияние химического механизма на фоне более сильного электромагнитного.

Свои результаты исследователи получили с помощью молекулы медного фталоцианина, использовавшейся в качестве «зонда». Данная плоская молекула имеет структуру, напоминающую кристаллическую решетку графена (и подобных ему двумерных материалов), соответственно, молекула может размещаться на поверхности графена, сильно с ним взаимодействуя.

Молекула рассеивает комбинационное излучение, при этом эффект мало зависит от фоновой фотолюминесценции.

Чтобы изучить, как двумерные материалы, размещенные на подложке из кремния или оксида кремния, усиливают сигналы комбинационного рассеяния, команда размещала на их поверхности одинаковые «молекулярные зонды», а также использовала зонд на чистой подложке в качестве эталона. На эксперименте сравнивались сигналы комбинационного рассеяния в этих двух системах.

В рамках своей работы ученые выяснили, что

перенос заряда между графеном и подложкой, на которой он был выращен, приводит к серьезному усилению полезного сигнала. Те же соображения оказались верны и для гексагонального нитрида бора (в этом случае, правда, свою роль сыграли диполь-дипольные взаимодействия между материалом и подложкой).

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters. Обнародованные данные позволят лучше понять влияние двумерных материалов на гигантское комбинационное рассеяние. В будущем ученые также планируют совместить преимущества двумерных материалов и металлических подложек для еще большего усиления полезного сигнала.