RU174247U1

RU174247U1 - Metal substrate with a thin transparent film of dielectric to increase the intensity of Raman scattering

Info

Publication number: RU174247U1
Application number: RU2016145685U
Authority: RU
Inventors: Сергей Иосифович Расмагин; Леон Арсенович Апресян; Виталий Иванович Красовский
Priority date: 2016-11-22
Filing date: 2016-11-22
Publication date: 2017-10-09

Abstract

Металлическая подложка с тонким прозрачным слоем из диэлектрика для увеличения интенсивности рамановского рассеяния может служить для анализа многих наноструктур (графен, углеродные нанотрубки, тонкие алмазные пленки и др.) в тех ситуациях, когда размеры анализируемых структур много меньше длины волны возбуждающего света. Слой прозрачного диэлектрика, нанесенного на металлическую подложку, должен составлять порядка четверти длины волны возбуждающего света. Предлагаемая подложка позволяет увеличить интенсивность рамановского рассеяния до 10 раз в видимом диапазоне.To increase the Raman scattering intensity, a metal substrate with a thin transparent dielectric layer can serve for the analysis of many nanostructures (graphene, carbon nanotubes, thin diamond films, etc.) in those situations where the dimensions of the analyzed structures are much smaller than the wavelength of the exciting light. The layer of transparent dielectric deposited on a metal substrate should be about a quarter of the wavelength of the exciting light. The proposed substrate can increase the intensity of Raman scattering up to 10 times in the visible range.

Description

Полезная модель: Металлическая подложка с тонкой прозрачной пленкой из диэлектрика для увеличения интенсивности рамановского рассеяния относится к области измерительной техники, использующей эффект рамановского рассеяния света, в качестве вспомогательного средства.Utility model: A metal substrate with a thin transparent film made of a dielectric to increase the intensity of Raman scattering belongs to the field of measurement technology using the effect of Raman scattering of light as an auxiliary tool.

Уровень техники. Приборы, работающие на эффекте рамановского рассеяния света, широко используются в химии (контроль химических веществ), в биологии и медицине (изучение строения белков и др., клинические исследование тканей различных организмов), в пищевой и медицинской промышленности (анализ продуктов и медицинских препаратов), а также в технике и электронике (например, анализ химического состава алмазных пленок, монокристаллического карбида кремния, графена и т.д.). В качестве дополнительного средства в данных приборах используются различные металлические подложки. Так, например, наноструктуры типа углеродных нанотрубок [1] и графенов [2] синтезируются непосредственно на металлических подложках. Так как размеры данных наноструктур значительно меньше длины волны возбуждающего света, важными оказываются локальные значения поля на поверхности. Действительно, при нормальном падении плоской волны на металлическую поверхность падающая волна почти полностью отражается, причем электрическое поле на поверхности подложки оказывается близким к нулю.The level of technology. Instruments operating on the Raman scattering effect are widely used in chemistry (control of chemicals), in biology and medicine (study of the structure of proteins, etc., clinical studies of tissues of various organisms), in the food and medical industries (analysis of products and medicines) as well as in engineering and electronics (for example, analysis of the chemical composition of diamond films, single-crystal silicon carbide, graphene, etc.). As an additional tool, these devices use various metal substrates. For example, nanostructures such as carbon nanotubes [1] and graphenes [2] are synthesized directly on metal substrates. Since the sizes of these nanostructures are much smaller than the wavelength of the exciting light, local values of the field on the surface are important. Indeed, during a normal incidence of a plane wave on a metal surface, the incident wave is almost completely reflected, and the electric field on the substrate surface is close to zero.

Поэтому на металлической подложке область пучности стоячей световой волны, образованной при отражении, не распространяется на приповерхностный слой, в котором находится, например, слой графена, за счет чего рамановское рассеяние может уменьшиться более чем на порядок (прибор может просто не зарегистрировать сигнал). Простые оценки величины такого уменьшения можно получить используя известные экспериментальные значения эффективных показателей преломления n и коэффициент поглощения k (эффективный комплексный показатель преломления n'=n+ik), которые пригодны как в области нормального, так и аномального скин-эффекта [3] (см. Таблицу). Из Таблицы видно, что интенсивность I поля вблизи поверхности металлов уменьшается по сравнению с (принятой здесь за единицу) интенсивностью падающей волны в 2-5 раза в видимом диапазоне и в сотни раз в инфракрасном (ИК) диапазоне. Однако предлагаемая полезная модель ʺМеталлическая подложка с тонкой прозрачной пленкой из диэлектрика для увеличения интенсивности рамановского рассеянияʺ не только сможет компенсировать вышеупомянутое уменьшение интенсивности рамановского рассеяния, но даже обратить в выигрыш, если поместить рассеивающую наноструктуру не прямо на поверхность металлической подложки, а отступив от этой поверхности на четверть длины волны, т.е. использовать пучность образованной у поверхности стоячей световой волны.Therefore, on the metal substrate, the antinode region of the standing light wave formed upon reflection does not extend to the surface layer, in which, for example, the graphene layer is located, due to which Raman scattering can decrease by more than an order of magnitude (the device may simply not detect the signal). Simple estimates of the magnitude of such a decrease can be obtained using the known experimental values of the effective refractive indices n and the absorption coefficient k (effective complex refractive index n '= n + ik), which are suitable both in the normal and anomalous skin effect [3] (see .Table). It can be seen from the Table that the intensity of the I field near the surface of the metals decreases compared to the intensity of the incident wave (taken here as unity) by 2-5 times in the visible range and hundreds of times in the infrared (IR) range. However, the proposed utility model ʺMetal substrate with a thin transparent film made of a dielectric to increase the intensity of Raman scatteringʺ can not only compensate for the aforementioned decrease in the intensity of Raman scattering, but even benefit if the scattering nanostructure is not placed directly on the surface of the metal substrate, but departing from this surface on a quarter of the wavelength, i.e. use the antinode formed at the surface of a standing light wave.

Раскрытие полезной модели. В предлагаемой полезной модели с целью увеличения интенсивности рамановского рассеяния от наноструктур на металлическую подложку наносится прозрачный диэлектрик толщиной, равной четверти длины волны возбуждающего света λ/4 (см. Чертеж). При этом увеличение интенсивности рамановского рассеяния от наноструктур составляет теоретически 6-20 раз и практически 8-12 раз в видимом диапазоне (см. Рисунок. Длина возбуждающего света была λ=514 nm. 1 - металлическая подложка с тонким слоем прозрачного диэлектрика толщиной (1/4)λ, 2 - металлическая подложка без слоя диэлектрика).Disclosure of a utility model. In the proposed utility model, in order to increase the intensity of Raman scattering from nanostructures, a transparent dielectric is applied to the metal substrate with a thickness equal to a quarter of the wavelength of the exciting light λ / 4 (see. Drawing). The increase in the intensity of Raman scattering from nanostructures is theoretically 6–20 times and almost 8–12 times in the visible range (see. Figure. The length of the exciting light was λ = 514 nm. 1 is a metal substrate with a thin layer of transparent dielectric with a thickness of (1 / 4) λ, 2 is a metal substrate without a dielectric layer).

ЛитератураLiterature

1. G. Che, В.В. Lakshmi, С.R. Martin, et al. // Chem. Mater. 1998. Vol. 10. P. 260-267.1. G. Che, B.V. Lakshmi, C.R. Martin, et al. // Chem. Mater. 1998. Vol. 10. P. 260-267.

2. Ismach A., Druzgalski C, Penwell S., et al. // Nano Lett. 2010. Vol.10. P. 1542-1548.2. Ismach A., Druzgalski C, Penwell S., et al. // Nano Lett. 2010. Vol. 10. P. 1542-1548.

3. Гинзбург В.Л., Мотулевич Г.П. Оптические свойства металлов // УФН. 1955. Т. 55(4). С. 469.3. Ginzburg V.L., Motulevich G.P. Optical properties of metals // UFN. 1955.V. 55 (4). S. 469.

Подписи к ТаблицеCaptions to the Table

λ - длина волны света,λ is the wavelength of light,

n - показатель преломления,n is the refractive index,

k - коэффициент поглощения,k is the absorption coefficient,

I - интенсивность падающего света,I is the intensity of the incident light,

Е - напряженность электрического поля,E is the electric field strength,

I_М - интенсивность света на поверхности металла.I _M - light intensity on the metal surface.

Подписи к чертежуDrawing captions

1 - исследуемый образец,1 - test sample,

2 - слой диэлектрика,2 - dielectric layer,

3 - металлическая подложка,3 - metal substrate,

λ - длина волны падающего на образец света.λ is the wavelength of the light incident on the sample.

Подписи к РисункуCaptions to Figure

I_A.U. - интенсивность комбинационного рассеяния света, см^-1 - обратные сантиметры,I _AU - Raman scattering intensity, cm ^-1 - inverse centimeters,

1 - металлическая подложка с тонким слоем прозрачного диэлектрика толщиной (1/4)λ,1 - metal substrate with a thin layer of transparent dielectric with a thickness of (1/4) λ,

2 - металлическая подложка без слоя диэлектрика.2 - metal substrate without a dielectric layer.

Claims

A metal substrate for measuring the nanostructures placed on it using Raman scattering, characterized in that it is provided with a transparent dielectric layer with a thickness equal to a quarter of the wavelength of the exciting light.