Обзор достижений в наноплазмонике за последние несколько лет

Поверхностные свойства металлов и полупроводников являются в последнее время весьма популярной темой. Это вызвано тем, что рабочая поверхность большой части промышленных машин исполнена из металлов. Например, солнечные батареи. Здесь важны спектры поглощения молекул.

На каком же уровне развития находится наноплазмоника на данный момент? Какие исследования уже проведены в настоящее время и какие практические результаты они дали?

В настоящее время широкий интерес проявляется к улучшению оптических характеристик тонких пленок металлов, применяемых в нанооптике и наноплазмонике. Для минимизации потерь пленок в плазмонике необходимо использовать квазимонокристаллические пленки. Хорошо известно, что серебро обладает малыми оптическими потерями в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн, что делает его одним из наиболее применимых материалов в плазмонике. Оптические характеристики тонких пленок серебра сильно зависят от кристаллической структуры и морфологии. Одним из эффективных способов повышения оптических характеристик (минимизации потерь) пленок серебра является уменьшение числа границ зерен на единицу площади. Минимизировать число границ зерен возможно при условии увеличения их размера. В пределе требуется переход от поликристаллических пленок к квазимонокристаллическим, с максимальным размером кристаллита.

Монокристаллические пленки серебра могут быть получены методами испарения, импульсного лазерного нанесения, магнетронного нанесения и гальваники. Данных о получении сплошных пленок монокристаллического серебра толщиной менее 200 нм в литературе не встречается. Ученые МГТУ им. Баумана А.С. Бабурин, А.Р. Габидуллин, А.В. Зверев, И.А. Родионов, И.А. Рыжиков, Ю.В. Панфилов поставили задачу формирования сплошных пленок квазимонокристаллического серебра толщиной 200 нм, что соответствует верхней границе толщины для применения в наноплазмонике.

Проведена серия экспериментов для получения зависимостей, определяющих структуру растущей пленки в подходе с использованием соотношений энергомассопереноса. Их характер известен из литературы и сохраняется для материалов большого спектра. Но для определения значений критических точек и точек перегиба для конкретной системы подложка–материал, необходим ряд эмпирических значений. На основе экспериментальных данных построены кривые, ограничивающие области получения пленок с мелкозернистой (рентгеноаморфной), поликристаллической и квазимонокристаллической структурами.

Рис.1. Экспериментальные зависимости структуры пленки от параметров нанесения (температуры подложки и скорости осаждения).

Экспериментально получены зависимости роста пленки от параметров осаждения. Характеры зависимости размера кристаллита совпадают с предположениями, выдвинутыми при определении критериев эксперимента.

Наноплазмоника находит практическое применение для повышения эффективности солнечных элементов, изготовления нанолинз, обработки нанообъектов, высокочувствительных биосенсоров. В ВИЭСХе разрабатываются новые конструкции солнечных элементов, в фоточувствительный слой которых дополнительно внедрены металлические наночастицы размером 10–30 нм при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-10)-10-2 объемных долей.

Металлические наночастицы выбраны так, что частота их плазменного резонанса находится вблизи максимума спектра поглощения нанокристаллов, и диэлектрическая проницаемость среды фоточувствительного слоя наносолнечного элемента на частоте солнечного излучения существенно возрастает, что в свою очередь приводит к существенному возрастанию эффективности генерации электронно-дырочных пар. На конструкцию нанокристаллического солнечного элемента и способ его изготовления ВИЭСХом получено решение о выдаче патента РФ.

Новые технологии и материалы позволят в ближайшие пять лет увеличить КПД СЭ на основе каскадных гетероструктур в лаборатории до 45%, в производстве до 26–30%, КПД СЭ из кремния в лаборатории до 30%, в промышленности до 25%.

Интересным ответвлением является плазмонная нанооптика на поверхности металла. Это новый раздел современной фотоники, которая изучает поверхностные электромагнитные волны, зарождающиеся при взаимодействии внешней электромагнитной волны с металлическом или полупроводниковыми нанострктурами или поверхностью. В Казанкском университете рассматриваются распространениям плазмон-поляритонные волны по металлической поверхности, содержащей определлённые наноструктуры в виде нанопрофилей, наночастей или нанощелей. Это обусловлено тем, что их применение на практике позволяется конструировать миниатюрные оптические и оптоэлектрические плазмонные устройства, в которых удаётся преодолеть фундаментальное дифракционное ограничение по релеевскому рассеянию света при его взаимодействии с малыми объектами.

Ученые Казанского университета разработали новую методику получения изображения распределения поверхностной интенсивности ППВ при регистрации в дальнем оптическом поле излучения РП. Излучение РП генерируется на границе между тонкой металлической плёнкой и близлежащей средой (подложкой) с более высоким показателем преломления. Данное излучение происходит под характеристическим углом к нормали образца 0_RP , при котором обеспечивается фазовый синхронизм между ППВ- и РП-излучением в стекле, удовлетворяя соотношению k_spр = nk₀ sin ^ , где k_spp и nk₀ являются волновыми векторами ППВ и РП соответственно, а n – показатель преломления стекла.

Рис.2. Схема экспериментальной установки по регистрации карты распределения интенсивностей РП по площади образца: Ф – нейтральный фильтр, П- поляризатор, ПРП – плазмонные РП.

Рис.3. Изображение топологической структуры образца, полученное на сканирующем электронном микроскопе: В - возбуждение, П – пропускание, О – отражение. Кружочком указано место возбуждения ППВ сфокусированным лазерным пучком. Стрелками указаны направления распространения ППВ.

В их эксперименте ППВ возбуждаются на топологической поверхностной структуре тонкой серебряной пленки при помощи перестраиваемого Тi:Sapphire-лазера, работающего в интервале длин волн от 760 до 900 нм. Лазерный луч фокусируется на образце при помощи объектива, а регистрация проводится под углом θ при помощи иммерсионного объектива. Полученное изображение распределения интенсивности фиксируется цифровой ПЗС-камерой. Регистрируемые камерой изображения являются проекциями ППВ на анализируемой поверхности и в каждой точке пропорциональны интенсивности ППВ. В качестве объекта для возбуждения и наблюдения ППВ были использованы тонкие пленки серебра с поверхностными наноструктурами, сформированными комбинацией методов электронно-лучевой литографии и электронно-лучевого распыления. При облучении лазером нанонити образуются два симметрично ориентированных плазмонных пучка, распространяющихся налево и направо от точки возбуждения. ППВ, направляющаяся вправо, сталкивается с препятствием в виде цепочки наночастиц и после взаимодействия с наночастицами частично распространяется в том же направлении, а частично отражается.

Также можно рассмотреть взаимодействие ППВ с нанопроволоками, сформированными методом электронно-лучевой литографии.

Рис.4. Зависимость эффективности пропускания и отражения ППВ при взаимодействии с цепочкой наночастиц от длины волны возбуждающего лазера.

Рис.5. Зависимость эффективности пропускания и отражения ППВ при взаимодействии с зеркалом Брегга от угла падения ППВ.

Из рисунка выше видно, как в соответствии с законами геометрической оптики зеркало Брегга отражает падающую на него ППВ по разным направлениям в зависимости от угла альфа, тем самым демонстрируя эффективную возможность управления распространением ППВ по металлической поверхности.

Таким образом, данная методика оказывается эффективной при практическом конструировании и изготовлении поверхностных нанофотонных структур, используемых в качестве двумерных оптических элементов, таких, как точечные источники возбуждения ППВ, зеркала Брэгга, делители ППВ, интерферометры, плазмонные волноводы и др.