Написано AZoNano [194592020

Ученые из Центра фотоники и двумерных материалов Московского физико-технического института (МФТИ), Университета Овьедо, Международного физического центра Доностии и CIC nanoGUNE предложили новый способ изучения свойств отдельные органические молекулы и нанослои молекул.

Подход, описанный в Нанофотоника опирается на V-образные графен-металлические пленочные структуры.

Неразрушающий анализ молекул с помощью инфракрасной спектроскопии жизненно важен во многих ситуациях в органической и неорганической химии: для контроля концентрации газа, выявления деградации полимера, измерения содержания алкоголя в крови и т. Д. Однако этот простой метод не применим к небольшим количествам молекул в нанообъеме. В своем недавнем исследовании исследователи из России и Испании предлагают способ решения этой проблемы.

Ключевым понятием, лежащим в основе новой техники, является плазмон. В широком смысле, это относится к колебанию электронов, связанных с электромагнитной волной. Распространяясь вместе, они могут рассматриваться как квазичастица.

В исследовании рассматривались плазмоны в клиновидной структуре размером в несколько десятков нанометров. Одна сторона клина представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, известный как графен. Он вмещает плазмоны, распространяющиеся вдоль листа, с колеблющимися зарядами в форме электронов или дырок Дирака.

Другая сторона V-образной структуры представляет собой золотую или другую электропроводящую металлическую пленку, которая проходит почти параллельно листу графена. Пространство между ними заполнено сужающимся слоем диэлектрического материала, например нитрида бора, толщиной 2 нанометра в его самом узком месте.

Такая установка позволяет локализовать плазмон или фокусировать его. Это относится к процессу, который превращает обычные плазмоны в более короткие волны, называемые акустическими. Когда плазмон распространяется по графену, его поле вытесняется в постепенно уменьшающихся пространствах в сужающемся клине.

В результате длина волны становится во много раз меньше, и амплитуда поля в области между металлом и графеном усиливается. Таким образом, обычный плазмон постепенно превращается в акустический.

«Ранее было известно, что поляритоны и волновые моды подвергаются такому сжатию в сужающихся волноводах. Мы собирались исследовать этот процесс специально для графена, но затем продолжили рассмотрение возможных применений системы графен-металл в условия получения молекулярных спектров, ", – сказал соавтор статьи Кирилл Воронин из Лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ.

Команда проверила свою идею на молекуле, известной как CBP, которая используется в фармацевтике и органических светоизлучающих диодах. Он характеризуется заметным пиком поглощения на длине волны 6,9 микрометров. В исследовании изучался отклик слоя молекул, который был расположен в тонкой части клина, между металлом и графеном.

Молекулярный слой был толщиной всего 2 нанометра, или на три порядка меньше, чем длина волны возбуждающих лазер плазмонов. Измерение такого низкого поглощения молекул было бы невозможно с помощью обычной спектроскопии.

Однако в схеме, предложенной физиками, поле локализовано в гораздо более узком пространстве, что позволяет команде сосредоточиться на образце, а также зарегистрировать ответ от нескольких молекул или даже одной большой молекулы, такой как ДНК .

Существуют разные способы возбуждения плазмонов в графене. Наиболее эффективный метод основан на сканирующем ближнепольном микроскопе рассеивающего типа. Его игла расположена близко к графену и облучается сфокусированным световым лучом. Так как острие иглы очень мало, оно может возбуждать волны с очень большим волновым вектором – и малой длиной волны.

Плазмоны, возбужденные вдали от конического конца клина, движутся вдоль графена к молекулам, которые должны быть проанализированы. После взаимодействия с молекулами плазмоны отражаются на конусном конце клина, а затем рассеиваются той же иглой, которая первоначально возбуждала их, что, таким образом, удваивается как детектор.

«Мы рассчитали коэффициент отражения, то есть отношение интенсивности отраженного плазмона к интенсивности исходного лазерного излучения. Коэффициент отражения четко зависит от частоты, а максимальная частота совпадает с пиком поглощения молекулы. Становится очевидным, что поглощение очень слабое – около нескольких процентов – в случае регулярных графеновых плазмонов. Когда речь идет об акустических плазмонах, коэффициент отражения ниже на десятки процентов. Это означает, что излучение сильно поглощенный в небольшом слое молекул ", добавляет соавтор статьи и приглашенный профессор МФТИ Алексей Никитин, исследователь в Международном физическом центре Доности, Испания.

После некоторых усовершенствований технологических процессов, схема, предложенная российскими и испанскими исследователями, может быть использована в качестве основы для создания реальных устройств. По словам команды, они были бы в основном полезны для исследования свойств малоизученных органических соединений и для обнаружения известных.

Центр МФТИ по фотонике и 2D материалам, в состав которого входит Лаборатория нанооптики и плазмоники, обеспечивает глобальное лидерство в областях активной плазмоники, оптоэлектроники 2D материалов и квантовой оптоэлектроники.

Основными задачами центра являются разработка и внедрение совершенно нового типа наноразмерных оптоэлектронных устройств и компонентов с широким спектром применения: электронные компоненты, наносенсоры, биосенсоры, нанолазеры, квантовые линии связи, энергоэффективные оптические устройства и т. Д. Центр возглавляет Валентин Волков ( [email protected] ).

Источник: https://mipt.ru/english/