RU2845831C1 - Наноантенна для усиления фотолюминесценции анализируемого вещества и способ её изготовления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области оптики и касается наноантенны для усиления фотолюминесценции анализируемого вещества. Наноантенна включает в себя слой прозрачного диэлектрика, сформированный вращением вокруг отрезка длиной 450-550 нм. Анализируемое вещество нанесено на внутреннюю поверхность слоя формы усеченного конуса, сформированного вращением его образующей - боковой стороны прямоугольной трапеции с величиной нижнего основания 900-1200 нм и верхнего 150-600 нм. Диэлектрический слой с внешней стороны покрыт слоем золота. Наноантенну изготавливают при облучении одиночными лазерными импульсами длительностью 200 фс на длине волны 532 нм с гауссовым распределением интенсивности золотой пленки толщиной 50 нм через контактирующий с золотой пленкой слой прозрачного диэлектрика толщиной 90 нм с энергией в импульсе, включающий диапазон 2,4-3,5 нДж. Технический результат заключается в повышении концентрации фотолюминесцентного излучения выбираемого анализируемого вещества. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к области физики и служит для концентрации излучения фотолюминесцентных молекул, и может быть использовано для создания сенсорных наносистем, обеспечивающих наномасштабную оптическую диагностику температурных процессов и состояния веществ в режиме реального времени.

Известно устройство для усиления излучения точечного источника (отдельных молекул) на основе оптических наноантенн (патент США №9075010 B2, МПК G01N 21/64, дата приоритета 17.10.2011, дата публикации 19.07.2015). Указанное устройство представляет собой резонатор, выполненный в виде наноантенны типа «галстук-бабочка», состоящей из металлических (золотых, алюминиевых, серебряных, медных или их сплавов) электродов, в 50 нм промежутке между которыми помещается точечный источник. Электрическое поле, возникающее между электродами при их облучении лазерным пучком, увеличивает интенсивность излучения (уменьшает время жизни возбужденного состояния) точечного источника.

Недостатком устройства является то, что для его изготовления необходимо использование таких технологий нанофабрикации как электронная или ионная лучевая литография, которые обладают высокой стоимостью, а также значительными временными трудозатратами.

Известна активная диэлектрическая наноантенна (патент РФ 194033 U1, МПК G02F 1/01; B82B 1/00, дата приоритета 01.08.2019, дата публикации 25.11.2019), совпадающая с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип. Указанная наноантенна служит для усиления излучения точечного источника и представляет собой резонатор в виде шара радиусом R, где 100 нм<R<500 нм, и изготовлена из диэлектрического материала с высоким показателем преломления n>2,4, а встроенный точечный излучатель расположен произвольно внутри резонатора.

Недостатком прототипа является то, что данная сферическая наноантенна излучает в телесный угол 4π стерадиан и приводит к невозможности анализа полного светового потока (невысокому уровню анализируемого сигнала). Также анализируемое вещество помещается внутрь резонатора, что делает невозможным смену анализируемого вещества после изготовления наноантенны.

Известен способ изготовления полой конической поверхности в пленках золота толщиной 50 нм на стеклянной подложке при облучении одиночным лазерными импульсами длительностью 200 фс на длине волны 532 нм с гауссовым распределением интенсивности и энергией в импульсе 1,3-2,3 нДж [Kuchmizhak A. et al. Laser printing of resonant plasmonic nanovoids // Nanoscale. - 2016. - Т. 8. - №. 24. - С. 12352-12361]. Данный способ совпадает с заявляемым способом изготовления наноантенны для усиления фотолюминесценции анализируемого вещества по наибольшему числу существенных признаков и принят в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является то, что получаемая коническая поверхность является замкнутой, что делает невозможным помещение анализируемого вещества внутрь наноантенны.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является обеспечение возможности выбора анализируемого вещества после изготовления наноантенны и повышение надежности измерения.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышенной концентрации фотолюминесцентного излучения выбираемого анализируемого вещества.

Данный технический результат достигается вследствие того, что наноантенна для усиления фотолюминесценции анализируемого вещества, включающая слой прозрачного диэлектрика, сформированный вращением вокруг отрезка длиной 450-550 нм с помещенным внутрь анализируемым веществом, отличается тем, что анализируемое вещество нанесено на внутреннюю поверхность слоя формы усеченного конуса, сформированного вращением его образующей - боковой стороны прямоугольной трапеции с величиной нижнего основания 900-1200 нм и верхнего 150-600 нм, диэлектрический слой с внешней стороны покрыт слоем золота.

Изготовление наноантенны происходит способом, включающим облучение лазерным излучением с длиной волны 525 нм и длительностью импульса 200 фс с гауссовым распределением интенсивности золотой пленки толщиной 50 нм сквозь стеклянную подложку, и отличающимся тем, что облучение производят через контактирующий с золотой пленкой слой прозрачного диэлектрика толщиной 90 нм с энергией в импульсе, включающий диапазон 2,4-3,5 нДж.

Реализация наноантенны с покрытием диэлектрического слоя золотом обеспечивает надежное отражение люминесцентного излучения внутрь полости усеченного конуса, получаемого благодаря наличию контактирующего с золотой пленкой слоя прозрачного диэлектрика толщиной 90 нм. Открытое верхнее основание усеченного конуса позволяет наносить анализируемое вещество на его внутреннюю поверхность после изготовления наноантенны.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами.

На фиг. 1 представлена предлагаемая наноантенна с анализируемым веществом и без него, а также схематическое расположение элементов, необходимых для её работы.

Фиг. 2 поясняет процесс изготовления наноантенны, а на фиг. 3 представлены снимки с электронного микроскопа массива наноантенн и поперечного разреза отдельной наноантенны.

На фиг. 4 показана карта излучения фотолюминесцентных молекул, расположенных внутри (1) и снаружи (2) наноантенны и соответствующие им спектры фотолюминесценции.

Наноантенна (фиг. 1) состоит из слоя диэлектрического материала 1, покрытого слоем золота 2. Эта двухслойная структура сформирована в виде боковой поверхности усеченного конуса, образующая которого соответствует боковой стороне прямоугольной трапеции с высотой 450-550 нм, радиус нижнего основания усеченного конуса, опирающегося на стеклянную подложку 3, лежит в диапазоне 900-1200 нм, радиус открытого верхнего основания 4 лежит в диапазоне 150-600 нм.

Устройство с использованием предлагаемой наноантенны работает следующим образом. Через отверстие 4 на внутреннюю поверхность усеченного конуса (слой диэлектрика 1) наносят анализируемое вещество 5. Излучение лазера 6, пройдя дихроичное зеркало 7, прозрачное для этого излучения, после прохождения объектива 8 и его фокуса расходящимся пучком попадает на внутреннюю поверхность усеченного конуса с анализируемым веществом 5. Излучение, возбужденное в результате фотолюминесценции, распространяется во все стороны от анализируемого вещества 5, как внутрь, так и наружу; часть, отраженная от слоя золота 2 вместе с фотолюминесцентным излучением, направленным внутрь, попадает в объектив 8, и в концентрированном виде, отражаясь от дихроичного зеркала 7, попадает на анализатор спектра 9.

Изготовление наноантенны происходит с помощью прямого лазерного облучения (фиг. 2А) [Meshcheryakov Y.P., Bulgakova N.M. Thermoelastic modeling of microbump and nanojet formation on nanosize gold films under femtosecond laser irradiation // Applied Physics A. - 2006. - Т. 82. - №. 2. - С. 363-368]. Лазерный импульс фемтосекундной длительности с гауссовым распределением интенсивности 10 падает на поверхность слоя золота 2 на стеклянной подложке 3, после нескольких пикосекунд электронно-фононной релаксации золото нагревается с образованием радиальных градиентов температуры, ориентированными от центра к краям облучаемой области. Эти градиенты температуры приводят к возникновению термических напряжений в пленке, которые, в свою очередь, увеличивают момент сил 11, действующих вдоль нормали к поверхности слоя. Возникающие деформации приводят к образованию параболической структуры. Наличие диэлектрического слоя 1 ограничивает дальнейшее растяжение металлического слоя и способствует непосредственному переходу из параболической поверхности к двухслойной поверхности усеченного конуса с образованием отверстия в наиболее нагретой центральной части области облучения - формированию наноантенны (фиг. 2Б).

Предлагаемая наноантенна усиливает излучение фотолюминесцентной молекулы, находящейся внутри, за счет своей формы, обеспечивая концентрацию люминесцентного излучения, что подтверждается многочисленными результатами измерений.

В качестве примера для реализации предлагаемого способа изготовлен массив наноантенн (фиг. 3А), представляющих собой двухслойную структуру в виде боковой поверхности усеченного конуса с величиной нижнего основания 900-1050 нм, верхнего основания 200-300 нм и высотой 500 нм. В качестве диэлектрического материала используется кремний. Дополнительно на фиг. 3Б показан поперечный разрез отдельной наноантенны, вид под углом 70 градусов.

Для изготовления наноантенны используется коммерческая фемтосекундная лазерная система ANTAUS, генерирующая лазерные импульсы с центральной длиной волны 525 нм, длительностью импульса 200 фс и частотой повторения 10 Гц. Для двухслойной пленки Au/Si толщиной 50 нм и 90 нм, соответственно, нанесенной на стеклянную подложку, энергия в импульсе, необходимая для изготовления наноантенны находится в диапазоне 2,4-3,5 нДж. Фемтосекундное лазерное излучение фокусируется на кремниевом слое со стороны стекла в пятно диаметром D≈0,7 мкм при помощи объектива. В результате одноимпульсного облучения на поверхности пленки формируется наноантенна, имеющая форму усеченного конуса, сформированного вращением его образующей - боковой стороны прямоугольной трапеции с величиной нижнего основания 900-1200 нм и верхнего 150-600 нм.

Для демонстрации работы устройства с использованием предлагаемой наноантенны были проведены многочисленные измерения фотолюминесценции красителя родамин 6G, обладающего максимумом поглощения на длине волны 525 нм и пиком фотолюминесценции на длине волны 550 нм (фиг. 4). На поверхность наноантенны наносится спиртовой раствор красителя в концентрации 10^-6 моль/л. В качестве источника накачки для возбуждения фотолюминесценции используется твердотельный лазер с диодной накачкой TORUS 532 nm. Излучение накачки с мощностью 30 мВт через стекло собирается в пятно диаметром D≈2 мкм при помощи объектива. Излучение фотолюминесцентных молекул собирается при помощи объектива со стороны стекла и, отражаясь от дихроичного зеркала, попадает в конфокальный спектрометр Horiba Jobin-Yvon LabRam HR800 с дифракционной решеткой 150 штрихов/мм.

Таким образом, благодаря возможности нанесения анализируемого вещества после изготовления наноантенны и исключения потерь излучения фотолюминесценции во внешнее пространство обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышенной концентрации фотолюминесцентного излучения выбираемого анализируемого вещества.

Claims (2)

1. Наноантенна для усиления фотолюминесценции анализируемого вещества, включающая в себя слой прозрачного диэлектрика, сформированный вращением вокруг отрезка длиной 450-550 нм с помещенным внутрь анализируемым веществом, отличающаяся тем, что анализируемое вещество нанесено на внутреннюю поверхность слоя формы усеченного конуса, сформированного вращением его образующей - боковой стороны прямоугольной трапеции с величиной нижнего основания 900-1200 нм и верхнего 150-600 нм, диэлектрический слой с внешней стороны покрыт слоем золота.

2. Способ изготовления наноантенны для усиления фотолюминесценции анализируемого вещества, включающий облучение лазерным излучением с длиной волны 525 нм и длительностью импульса 200 фс с гауссовым распределением интенсивности золотой пленки толщиной 50 нм сквозь стеклянную подложку, отличающийся тем, что облучение производят через контактирующий с золотой пленкой слой прозрачного диэлектрика толщиной 90 нм с энергией в импульсе, включающий диапазон 2,4-3,5 нДж.