Слоистые структуры из металлов и диэлектриков используются для выявления веществ в низких концентрациях вплоть до отдельных молекул. 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. Обнаруженные эффекты могут улучшить работу сверхчувствительных сенсоров, способных различать отдельные молекулы.

Работа опубликована в журнале Nanomaterials.

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 методе ГКР используются сильные электромагнитные поля, полученные за счет поверхностного плазмонного резонанса (коллективных колебаний электронного газа). Положение резонанса может быть «настроено» с помощью различных параметров наноструктур (таких как геометрия и/или состав, а также размер и форма отдельных наночастиц).

Один из самых простых и дешевых методов изготовления подложек больших площадей (что важно для массового производства) основан на использовании ультратонких металлических пленок вблизи порога перколяции. Для пленок в подобных структурах существует пороговое значение толщины, при котором в них возможно движение электронов — порог перколяции. 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.

Несмотря на простоту и относительную дешевизну, используемые сегодня структуры такого типа обладают относительно низким коэффициентом усиления. Однако есть возможность повысить эффективность таких конструкций — это использование гибридных структур, то есть включающих несколько типов материалов. Одним из примеров таких структур являются гофрированные металлические наноповерхности, отделенные тонким диэлектрическим слоем от металлической подложки.

Рисунок 1. Структуры, исследованные в эксперименте: a — слой ультратонкого золота на стекле, b — структура золото/SiO2/золото, c — структура золото/SiO2/графен/золото. Молекулы детектируются верхним слоем золота. Источник: Nanomaterials

Авторы экспериментально исследовали чувствительность трех разных структур к модельной молекуле. На рисунке 1 схематически изображены исследованные образцы. Один из них представлял собой слой золота на стекле, второй — слоистую структуру золото/SiO₂/золото на подложке из кремния, а третий — золото/SiO₂/графен/золото на подложке из кремния. Толщина верхнего слоя золота, который и контактировал с детектируемой молекулой, выбиралась близкой к порогу перколяции.

Оказалось, что структуры типа золото/SiO₂/золото позволяют получить сигнал от молекулы в 7 раз сильнее, чем часто используемый слой золота на подложке из стекла. При наличии графена между золотом и SiO₂ чувствительность образца к модельной молекуле в 6 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.

«Наши слоистые структуры могут быть применимы в качестве сенсоров для рамановской спектроскопии. В рассматриваемых структурах общее усиление поля происходит благодаря комбинации нескольких механизмов. Один из них связан с возбуждением локализованных поверхностных плазмонов в кластерах золота, расположенных наиболее близко друг к другу. Другой связан с возбуждением щелевых плазмонов в тонком диэлектрическом слое между нижним и верхним слоями золота. Благодаря такой комбинации можно значительно увеличить чувствительность сенсора, то есть различать еще более низкие концентрации веществ. Однако при усилении рамановского сигнала усиливается и флуоресцентный фон. Использование графена в эксперименте позволило подавлять этот фон в среднем на 40%. Это значит, что слоистые структуры в комбинации с графеном можно использовать в уже существующих сенсорах для улучшения их сенсорных свойств», — дополняет Сергей Новиков, старший научный сотрудник лаборатории двумерных материалов и наноустройств Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Российского научного фонда.