Взаємозв’язок морфології металізованих напівпровідникових підкладок з поверхневим підсиленням комбінаційного розсіювання світла молекулами та неорганічними кластерами - Автореферат

Ефективність ГКРС-ефекту залежить від морфології наноструктурованої металічної поверхні, умов лазерного збудження, а також від характеристик самого аналіту. Неможливість точного теоретичного моделювання реальних металічних підкладок та відсутність чіткого та повного обґрунтування оптимальних для ГКРС-ефекту характеристик їх морфології зумовлюють актуальність дослідження таких поверхонь. Серед різноманіття методів виготовлення ГКРС-активних підкладок гібридний метод, який полягає в нанесені металевих наноструктур на пористу основу, та самоорганізований ріст острівцевих плівок благородних металів добре задовольняють вказаним вище умовам, але є на сьогодні недостатньо дослідженими. Дослідити вплив температури, часу відпалу і оточуючої атмосфери на морфологію та структуру срібних плівок, осаджених на кремнієві підкладки, та встановити кореляцію між характеристиками сформованої металічної поверхні та її оптичними характеристиками. Обєктом дослідження були процеси поверхневого підсилення комбінаційного розсіяння світла ГКРС-активними підкладками, сформованими на основі наноструктурованих острівцевих плівок срібла за різних умов їх осадження та відпалу.Попередні дослідження спектрів оптичного поглинання плівок срібла, товщини яких варіювалася від 20 до 1 нм, дозволили встановити умови лазерного збудження спектрів КРС, які приводили б і до плазмонного резонансу. Для тестування ГКРС-підкладок використовувалися розчини органічних барвників низької концентрації - родаміну 6G (Rh6G), мідного порфірину (CUTMPY) та інші, - для якої контрольні виміри КРС спектрів без застосування ГКРС-ефекту, тобто при нанесенні аналітів на рівну поверхню кремнієвої підкладки не дозволяли зареєструвати сигнал при ідентичних умовах. Дійсно, АСМ дослідження показали, що поверхня срібної плівки, сформована таким чином, являє собою масив тривимірних срібних острівців, щільно розташованих на поверхні, з достатньо високою однорідністю форми та розмірів (Рис. Проведені дослідження показали, що зростання температури відпалу приводить до збільшення середньої висоти острівців і найвища ГКРС-активність для lзб.=514.5 нм притаманна підкладкам, відпаленим при температурах 500-550°С (Рис. Дослідження показали, що на відміну від контрольного спектру КТ, нанесених на не відпалені плівки, дія ефекту поверхневого підсилення, створеного срібними острівцевими плівками, дозволяє зареєструвати смуги поздовжніх оптичних фононів LO та їх обертонів 2LO від ядра CDSE наночастинок CDSE/ZNS (Рис.Встановлені оптимальні морфологічні параметри срібних острівцевих плівок, сформованих на кремнієвих підкладках (Ag/Si), що відповідають максимальному підсиленню КРС сигналу від різних аналітів. Встановлено, що при відпалі в повітрі 10 нм плівок срібла в температурному інтервалі 100-500ОС для кожного значення температури існує оптимальний час відпалу, при якому інтенсивність ГКРС аналіту є максимальною. Встановлено, що для ГКРС-реєстрації малої концентрації напівпровідникових квантових точок типу ядро (CDSE) - оболонка (ZNS) розмірами декілька нанометрів (~3 нм), осаджених на Ag/Si підкладку, необхідне поєднання двох факторів: збудження плазмонів в срібних наноструктурах лазерним випромінюванням та збігу його енергії з різницею енергій електронних переходів у КТ.

2. Основний зміст роботи

1. Встановлені оптимальні морфологічні параметри срібних острівцевих плівок, сформованих на кремнієвих підкладках (Ag/Si), що відповідають максимальному підсиленню КРС сигналу від різних аналітів. Їм відповідає масив щільно упакованих та однорідних за розмірами острівців з середніми латеральними розмірами 100-150 нм.

2. Встановлено, що при відпалі в повітрі 10 нм плівок срібла в температурному інтервалі 100-500ОС для кожного значення температури існує оптимальний час відпалу, при якому інтенсивність ГКРС аналіту є максимальною. Наявність таких екстремумів пояснено впливом морфології та варіюванням співвідношення срібла та його оксиду в нанострівцях. При відпалі таких плівок в атмосфері азоту подібної залежності у вказаному інтервалі температур не спостерігається.

3. Встановлено, що для ГКРС-реєстрації малої концентрації напівпровідникових квантових точок типу ядро (CDSE) - оболонка (ZNS) розмірами декілька нанометрів (~3 нм), осаджених на Ag/Si підкладку, необхідне поєднання двох факторів: збудження плазмонів в срібних наноструктурах лазерним випромінюванням та збігу його енергії з різницею енергій електронних переходів у КТ.

4. Встановлено, що наявність у por-Si макропор з середніми розмірами ~ 4 мкм та низька поверхнева енергія, зумовлена обробкою в електроліті з високим вмістом HF, сприяють при його металізації формуванню срібних наноструктур, які найбільш ефективно підсилюють сигнал КРС від аналітів, і ці властивості por-Si не втрачаються при його довготривалому зберіганні на повітрі.

5. Застосування методу імерсійного осадження срібла для одержання ГКРС-активного покриття на поверхні біоморфного SIC дозволило виявити вуглецеві та кремнієві кластери, які традиційним методом КРС зареєструвати не вдається.

6. Встановлено, що залишковий кремній в порах біо-SIC знаходиться в сильно стиснутому стані, що зумовлено різними коефіцієнтами термічного розширення SIC та кремнію.

1. Nanostructured silver substrates with stable and universal SERS properties: application to organic molecules and semiconductor NPS / M.V. Chursanova, V.M. Dzhagan, V.O. Yukhymchuk, O. Lytvyn, M.Ya. Valakh, I.A. Khodasevich, D. Lehmann, D.R.T. Zahn, C. Waurisch, S.G. Hickey // Nanoscale Res Lett. - 2010. - Vol. 5. - P. 403-409.

2. Optimization of porous silicon preparation technology for SERS applications / M.V. Chursanova, L.P. Germash, V.O. Yukhymchuk, V.M. Dzhagan, I.A. Khodasevich, D. Cojoc // Applied Surface Science. - 2010. - Vol. 256. - p. 3369-3373.

3. Synthesis of bio-SIC ceramics and its morphological and structural properties / V.O. Yukhymchuk, V.S. Kiselov, A.E. Belyaev, M.V. Chursanova, M. Danailov, M.Ya. Valakh // Functional Materials. - 2010. - Vol. 17 (No. 4). - с. 520-527.

4. Чурсанова М.В. Плівка срібних нанокристалів на пористому кремнії як ефективна поверхня для гігантського комбінаційного розсіювання / М.В. Чурсанова // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 2009. - т. 5. - с. 152-156.

5. Чурсанова М.В. Виготовлення чутливих субстратів для поверхнево підсиленого комбінаційного розсіювання на основі острівцевих плівок Ag/Si / М.В. Чурсанова // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. - 2009. - т. 6. - с. 142-147.

6. Оптимизация методики формирования ГКР-активных структур из наночастиц серебра на поверхности пористого кремния / А.Ю. Панарин, И.А. Ходасевич, М.В. Чурсанова, С.Н. Перехов // Материалы I Международной научной конференции «Наноструктурированные материалы - 2008: Беларусь - Россия - Украина» НАНО-2008. - Минск, 2008. - с. 120.

7. Використання поверхнево підсиленого комбінаційного розсіювання світла для діагностики залишкових домішок у біоморфному SIC / М.В. Чурсанова, В.О. Юхимчук, В.С. Кисельов // Тези доповідей Міжуніверситетської наукової конференції з математики та фізики для студентів та молодих вчених. - Київ, 2009. - с. 86.

8. Спектроскопія КРС біо-SIC кераміки / В.О. Юхимчук, В.С. Кисельов, О.Є. Бєляєв, М.В. Чурсанова, М.Я. Валах // Тези доповідей IV Української наукової конференції з фізики напівпровідників. - Запоріжжя, 2009. - с. 166.

9. Surface enhanced Raman spectroscopy of semiconductor nanoparticles / M.V. Chursanova, V.M. Dzhagan, O.S. Lytvyn, M.Ya. Valakh, M. Danailov, I. A. Khodasevich, V.A. Orlovich // Proc. of the International conference on laser application in life sciences LALS-2010. - Oulu (Finland), 2010. - p. 198.