09.06.2020Исследователи из лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ и научных центров Испании предложили методику изучения свойств единичных органических молекул и нанометровых молекулярных слоев, основанную на применении клиновидных структур из графена и металлической пленки. Работа опубликована в журнале Nanophotonics.
Неразрушающий анализ молекул с помощью инфракрасной спектроскопии необходим для множества жизненно важных ситуаций в органической и неорганической химии, в частности, для контроля концентрации газа, выявления деградации полимера или определения содержания алкоголя в крови. Этот простой метод, однако, не позволяет изучать небольшое число молекул в нанометрических объемах. Ученые из Центра двумерных материалов МФТИ предложили свой метод решения проблемы.Центральным «действующим лицом» новой методики стали плазмоны, распространяющиеся в клиновидной структуре размером в десятки нанометров. В широкой трактовке плазмоном называется псевдочастица, состоящая из колеблющихся электронов и связанного с ними электромагнитного поля. В плазмонах, распространяющихся вдоль графена (слоя углерода толщиной в один атом), колеблющиеся заряды являются Дираковскими электронами или дырками. Если параллельно с графеном расположить металл с хорошей проводимостью — например, золото — на небольшом, в несколько нанометров расстоянии от графена, то плазмоны станут более локализованными, их длина волны сильно уменьшится. Такие плазмоны называют акустическими.
Рисунок 1. Игла ближнепольного микроскопа возбуждает обычные плазмоны в графене на большом расстоянии от узкой части клина. Дизайнер Дарья Сокол, пресс-служба МФТИИдея работы заключалась в использовании процесса преобразования обычных графеновых плазмонов в акустические путем их «сжатия» (фокусировки). Расстояние между напыленной пленкой металла и слоем графена постепенно уменьшается, образуя сужающийся клин, заполненный диэлектриком, например, нитридом бора. При распространении плазмона вдоль графена его поле становится все более и более сжато в зазоре между графеном и металлом. За счет этого многократно уменьшается длина волны и увеличивается амплитуда поля в зазоре. И плазмон постепенно преобразуется из обычного в акустический.«То, как поляритоны и волноводные моды могут сжиматься при постепенном уменьшении волновода, было известно ранее. Мы же хотели рассмотреть этот процесс именно для графена, но пошли дальше и рассмотрели возможные применения системы из графена и металла для получения молекулярных спектров», — рассказывает Кирилл Воронин, соавтор работы, сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ.В качестве примера ученые исследовали молекулу, сокращенно называемую CBP, которая используется в органических светодиодах и фармацевтике, — она имеет один довольно характерный пик поглощения примерно на длине волны 6,9 микрон. Авторы рассмотрели отклик от слоя молекул с толщиной 2 нанометра, размещенного в узкой части клина, между графеном и металлом. То есть толщина исследуемого слоя была на три порядка меньше, чем длина волны возбуждающего лазерного излучения. Поэтому, используя стандартную спектроскопическую методику, измерить столь малое поглощение этих молекул было бы невозможно.В предложенной физиками конфигурации, благодаря существенно меньшей области локализации поля, появляется возможность сфокусироваться на исследуемых молекулах так, чтобы получить очень большой отклик даже от нескольких молекул, а в случае больших молекул, как ДНК, и от единичной молекулы.Плазмоны в графене можно возбуждать по-разному. Наиболее эффективно возбуждение с помощью сканирующего ближнепольного микроскопа рассеивающего типа. Игла этого микроскопа помещается на небольшом расстоянии от графена и облучается сфокусированным пучком света. И поскольку размер кончика иглы очень маленький, он может возбудить волны с очень большим волновым вектором (малой длиной волны). Возбужденные вдали от узкой части клина плазмоны (рисунок 1) распространяются вдоль этого клина в сторону сужающейся части, где находится слой молекул. Плазмоны взаимодействуют с молекулами, отражаются от узкого окончания клина и рассеиваются этой же иглой ближнепольного микроскопа, за счет чего детектируются.«Мы рассчитывали коэффициент отражения, то есть отношение интенсивности отраженного плазмона к интенсивности вводимого лазерного излучения. Хорошо видна зависимость коэффициента отражения от частоты. И ее максимум приходится на пик поглощения молекул. Видно, что для обычных графеновых плазмонов поглощение очень слабое, несколько процентов. А в случае акустических плазмонов коэффициент отражения падает на десятки процентов. Значит, излучение очень сильно поглощается в небольшом слое молекул», — уточняет соавтор работы, сотрудник Международного Физического Центра Доностии (Испания), визит-профессор МФТИ Алексей Никитин.Для создания девайса на основе предложенной авторами методики требуется доработка технологических процессов, однако концепция может быть в будущем воплощена в реальных устройствах. Основная сфера применения таких устройств, по мнению авторов работы, — исследование свойств малоизученных органических веществ и детектирование известных.—Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ, в который входит лаборатория нанооптики и плазмоники, нацелен на достижение глобального лидерства в таких областях, как активная плазмоника, оптоэлектроника двумерных материалов и квантовая оптоэлектроника. Основными задачами центра являются разработка и создание принципиально нового класса наноразмерных оптоэлектронных приборов и компонентов широкого спектра применений (элементная база электроники, наносенсоры, биосенсоры, нанолазеры, квантовые линии связи, энергоэффективные световые устройства и др.), включая применения специального назначения. Руководит центром Волков Валентин Сергеевич, nano@phystech.eduПресс-служба МФТИThe post Ученые получили «отпечатки» молекул с помощью плазмонов appeared first on Поиск - новости науки и техники.
Комментарии (0)