RU2806842C1 - Способ изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света - Google Patents
Способ изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света Download PDFInfo
- Publication number
- RU2806842C1 RU2806842C1 RU2023111794A RU2023111794A RU2806842C1 RU 2806842 C1 RU2806842 C1 RU 2806842C1 RU 2023111794 A RU2023111794 A RU 2023111794A RU 2023111794 A RU2023111794 A RU 2023111794A RU 2806842 C1 RU2806842 C1 RU 2806842C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanoparticles
- formation
- substrate
- thin film
- self
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 53
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 title claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 title abstract description 23
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title abstract description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 52
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims abstract description 25
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 17
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 16
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 claims description 12
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 12
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 2
- 239000000306 component Substances 0.000 claims 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 abstract description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 10
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 9
- 230000003321 amplification Effects 0.000 abstract description 7
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 abstract description 7
- 238000003860 storage Methods 0.000 abstract description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 60
- 239000010408 film Substances 0.000 description 11
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 10
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 8
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 7
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 6
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 5
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000010892 electric spark Methods 0.000 description 4
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 4
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 4
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N Silver ion Chemical compound [Ag+] FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- DOIRQSBPFJWKBE-UHFFFAOYSA-N dibutyl phthalate Chemical compound CCCCOC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCCCC DOIRQSBPFJWKBE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- SQGYOTSLMSWVJD-UHFFFAOYSA-N silver(1+) nitrate Chemical compound [Ag+].[O-]N(=O)=O SQGYOTSLMSWVJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 229910001151 AlNi Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018507 Al—Ni Inorganic materials 0.000 description 1
- SJUCACGNNJFHLB-UHFFFAOYSA-N O=C1N[ClH](=O)NC2=C1NC(=O)N2 Chemical compound O=C1N[ClH](=O)NC2=C1NC(=O)N2 SJUCACGNNJFHLB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 1
- MDFFNEOEWAXZRQ-UHFFFAOYSA-N aminyl Chemical compound [NH2] MDFFNEOEWAXZRQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 239000010415 colloidal nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical group [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008611 intercellular interaction Effects 0.000 description 1
- 230000006525 intracellular process Effects 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 1
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- HJELPJZFDFLHEY-UHFFFAOYSA-N silicide(1-) Chemical compound [Si-] HJELPJZFDFLHEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 229910001961 silver nitrate Inorganic materials 0.000 description 1
- NLJMYIDDQXHKNR-UHFFFAOYSA-K sodium citrate Chemical compound O.O.[Na+].[Na+].[Na+].[O-]C(=O)CC(O)(CC([O-])=O)C([O-])=O NLJMYIDDQXHKNR-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 239000001509 sodium citrate Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света. Способ включает осаждение на твердотельной подложке тонкой пленки в виде многослойной структуры, состоящей из слоя или слоев, содержащих компонент плазмонного материала, слоев окислителя и восстановителя, и осуществление кратковременного локального энергетического воздействия для активации самораспространяющейся экзотермической реакции между компонентами окислителя и восстановителя, приводящей к формированию поддерживающего слоя и массива наночастиц плазмонного материала поверх него. Технический результат заключается в предотвращении снижения эффекта усиления сигнала комбинационного рассеяния от изучаемого вещества и потери чувствительности подложки в процессе хранения. 8 з.п. ф-лы, 9 ил.
Description
Изобретение относится к области разработки оптических сенсоров и может быть использовано для аналитических целей, таких как качественное и количественное определение сверхмалых количеств вещества посредством спектроскопии комбинационного рассеяния.
Спектроскопия комбинационного рассеяния света - это универсальный, высокочувствительный и высокоскоростной инструмент анализа в биологических и химических исследованиях. Это применимо в биологических исследованиях внутриклеточных процессов и межклеточных взаимодействий, медицине, химическом анализе чистоты и качества продукции, криминалистике и экологическом контроле окружающей среды. В отличие от иных видов спектроскопия комбинационного рассеяния света основывается на взаимодействии падающего лазерного излучения с колебаниями атомов и молекул на поверхности вещества, в результате которого происходит неупругое рассеяние с образованием излучения комбинационного рассеяния (КР-излучение), спектральные линии которого индивидуальны для каждого типа взаимодействия. Благодаря этому данный вид спектроскопического анализа позволяет различать, в частности, идентичные по составу, но разные по строению молекулы.
Спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния света (ГКРС) является логическим продолжением спектроскопии комбинационного рассеяния света и отлична тем, что для нее применяются подложки с наноструктурированной поверхностью, способные обеспечивать усиление сигнала комбинационного рассеяния от изучаемого вещества до 1012-1014 раз, многократно повышая чувствительность метода и позволяя качественно и количественно определять содержание даже единичных молекул. В качестве основного чувствительного элемента данные подложки несут массивы металлических или полупроводниковых наночастиц, под воздействием падающего света способных генерировать плазмон - колеблющийся свободный электронный газ. При этом для определенных длины волны падающего лазерного излучения и размера наночастиц возникает локализованный поверхностный плазмонный резонанс, что генерирует электромагнитное поле высокой напряженности, которое быстро ослабевает при удалении от наночастицы. Молекулы, находящиеся в этом поле, испускают многократно повышенное КР-излучение, тем самым упрощая свое обнаружение.
Существуют решения, использующие массивы плазмонных наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света. В патенте РФ №2699310 способ изготовления подложек для спектроскопии ГКРС заключается в ионной имплантации серебра при плотности тока ионного пучка 2⋅1012-1⋅1014 ион/см2 в пористый монокристаллический кремний до концентрации ионов 1,0⋅1019-6,5⋅1023 см-3, что приводит к формированию наночастиц серебра на поверхности и в приповерхностном слое кремния [1].
В патенте РФ №2766343 подложка для спектроскопии ГКРС формируется посредством модификации поверхности кремниевой подложки органическим веществом (СН3О)3Si((С3Н6)NH2) под действием ультразвука и последующей иммобилизации наночастиц серебра из концентрированного коллоидного раствора, полученного растворением и разложением 5,1 мг нитрата серебра в 30 мл деионизированной воды [2].
В патенте Китая №103217410 изготовление подложки для спектроскопии ГКРС осуществляется путем модификации алмазной пленки амидогеном посредством химического травления под действием ультрафиолета, с последующим осаждением на модифицированную поверхность наночастиц золота, полученных восстановлением раствора золотохлористоводородной кислоты цитратом натрия [3].
В патенте США № 2010149529 формирование подожки для спектроскопии ГКРС основывается на одновременном испарении металла и полимера при различных скоростях испарения на произвольную подложку. Вследствие этого процесса формируется композитная пленка, содержащая наночастицы металла, которые затем освобождаются от полимерной матрицы посредством травления, оставаясь зафиксированными на поверхности подложки [4].
В патенте Китая № 103575720 формирование подожки для спектроскопии ГКРС осуществляется посредством формирования первичного раствора из толуола, полиметилметакрилата и дибутилфталата, который затем смешивается с водным раствором коллоидных наночастиц. Затем к полученной смеси добавляется этанол со скоростью 1-10 мл/ч в течение 10-120 минут, что вызывает испарение толуола и формирование модифицированной наночастицами тонкой пленки, впоследствии переносимой на твердотельную подложку [5].
Основным недостатком всех представленных способов является снижение эффекта усиления КР-излучения от изучаемого вещества и, соответственно, чувствительности подложки для получения спектров ГКРС либо в процессе хранения после изготовления из-за взаимодействия наночастиц плазмонного материала с окружающей атмосферой с образованием химических соединений, либо из-за искусственного покрытия частиц защитным слоем, который предотвращает это взаимодействие, но ослабляет при этом электромагнитное поле.
Наиболее близким техническим решением является патент США № 11480524, в котором предложен способ формирования подложки для получения спектров ГКРС, включающий последовательное осаждение на чистой твердотельной подложке слоя плазмонного материала, энергетическое воздействие в виде термического, в результате которого формируется массив наночастиц плазмонного материала, нанесение защитного оксидного слоя поверх массива наночастиц плазмонного материала, осаждение второго слоя плазмонного материала, повторное энергетическое воздействие в виде термического, в результате которого формируется второй массив наночастиц плазмонного материала [6].
Главными недостатками данного подхода остаются те же: снижение эффекта усиления сигнала комбинационного рассеяния от изучаемого вещества и, соответственно, чувствительности подложки для получения спектров ГКРС в процессе хранения после изготовления как из-за взаимодействия наночастиц плазмонного материала с окружающей атмосферой, что касается второго массива наночастиц плазмонного материала, так и из-за искусственного покрытия частиц защитным слоем, который предотвращает это взаимодействие, но ослабляет при этом электромагнитное поле, что касается первого массива наночастиц плазмонного материала.
Задача изобретения - предотвращение снижения эффекта усиления сигнала комбинационного рассеяния от изучаемого вещества и, соответственно, потери чувствительности подложки для получения спектров ГКРС в процессе хранения.
Для достижения поставленной задачи предлагается способ изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света, в котором на твердотельной подложке осаждается тонкая пленка в виде многослойной структуры, состоящей из слоя или слоев, содержащих компонент плазмонного материала, слоев окислителя и восстановителя, и производится кратковременное и локальное энергетическое воздействие для активации самораспространяющейся экзотермической реакции между компонентами окислителя и восстановителя, приводящей к формированию поддерживающего слоя и массива наночастиц плазмонного материала поверх него.
Отличительными признаками изобретения является то, что тонкую пленку осаждают в виде многослойной структуры, состоящей из слоя или слоев, содержащих компонент плазмонного материала, слоев окислителя и восстановителя, и энергетическое воздействие производится кратковременно и локально, что служит активатором самораспространяющейся экзотермической реакции между компонентами окислителя и восстановителя, приводящей к формированию поддерживающего слоя и массива наночастиц плазмонного материала поверх него. До момента осуществления кратковременного локального энергетического воздействия компонент плазмонного материала однородно распределен в слое или слоях тонкой пленки в виде многослойной структуры. Реализация кратковременного локального энергетического воздействия приводит к возникновению самораспространяющейся экзотермической реакции между окислителем и восстановителем, в процессе которой происходит образование массива наночастиц плазмонного материала на поверхности с одновременным формированием поддерживающего слоя под ним. Преимущество такого способа формирования состоит в том, что процедура кратковременного локального энергетического воздействия может производиться непосредственно перед измерением, что предотвращает потерю чувствительности подложки для получения спектров ГКРС в процессе хранения после изготовления и не требует искусственного покрытия частиц защитным слоем, который снижает чувствительность подложки для получения спектров ГКРС.
Такая совокупность отличительных признаков позволяет устранить главные недостатки прототипа - снижение эффекта усиления сигнала комбинационного рассеяния от изучаемого вещества и, соответственно, чувствительности подложки для получения спектров ГКРС в процессе хранения или из-за искусственного покрытия частиц защитным слоем, который ослабляет электромагнитное поле.
Целесообразно тонкую пленку в виде многослойной структуры формировать последовательным чередованием слоев окислителя и восстановителя, а компонент плазмонного материала включать в состав окислителя. В этом случае в результате протекания самораспространяющейся экзотермической реакции между окислителем и восстановителем компонент плазмонного материала в составе окислителя восстанавливается, диффундирует на поверхность и образует массив наночастиц плазмонного материала. Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что тонкая пленка в виде многослойной структуры формируется последовательным чередованием слоев окислителя и восстановителя, а компонент плазмонного материала содержится в составе окислителя.
Для достижения желаемого результата компонент плазмонного материала может содержаться в слое, который является последним при формировании тонкой пленки в виде многослойной структуры. Известно, что тонкая пленка при термическом воздействии способна распадаться на наночастицы, а в случае самораспространяющейся экзотермической реакции между окислителем и восстановителем имеет место значительное выделение тепла, достаточное для этого. Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что компонент плазмонного материала содержится в слое, который является последним при формировании тонкой пленки в виде многослойной структуры.
Целесообразно в качестве компонентов окислителей тонкой многослойной пленки использовать элементы из ряда N, О, F, Cl, Br, I, Ni, Cr, Si. Целесообразно в качестве компонентов восстановителей тонкой многослойной пленки использовать элементы из ряда Al, Ti, Zn, Zr. Указанные элементы являются наиболее распространенными и изученными компонентами окислителями и восстановителями при изготовлении структур, в которых реализуется самораспространяющаяся экзотермическая реакция. Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что в качестве компонентов окислителей тонкой многослойной пленки используются элементы из ряда N, О, F, Cl, Br, I, Ni, Cr, Si, а в качестве компонентов восстановителей тонкой многослойной пленки используются элементы из ряда Al, Ti, Zn, Zr.
Предпочтительно в качестве компонентов плазмонного материала тонкой многослойной пленки использовать элементы из ряда Cu, Ag, Au, поскольку указанные материалы обладают наибольшим локализованным поверхностным плазмонным резонансом, и, как следствие, демонстрируют наиболее высокое усиление КР-излучения. Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что в качестве компонентов плазмонного материала тонкой многослойной пленки используются элементы из ряда Cu, Ag, Au.
Перед формированием тонкой многослойной пленки на твердотельную подложку желательно осадить зеркальный слой плазмонного материала, аналогичного или отличного от компонента плазмонного материала в тонкой многокомпонентной пленке. Использование зеркального слоя с плазмонными свойствами при малой толщине поддерживающего слоя может обеспечить дополнительное усиление КР-излучения за счет взаимодействия плазмонов зеркального слоя и массива наночастиц плазмонного материала, а также переотражения света от зеркального слоя, обеспечивая более эффективное использование фотонов падающего излучения. Таким образом, отличительным признаком изобретения является нанесение на твердотельную подложку зеркального слоя плазмонного материала, аналогичного или отличного от компонента плазмонного материала в тонкой многокомпонентной пленке.
Предпочтительно, чтобы в результате самораспространяющейся экзотермической реакции между окислителем и восстановителем поддерживающий слой формировался оптически прозрачным. Появление оптически прозрачного поддерживающего слоя между массивом плазмонных наночастиц и подложкой, или между массивом плазмонных наночастиц и зеркальным слоем обеспечивает образование интерферометра, что позволяет получить дополнительное усиление КР-излучения. Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что в результате энергетического воздействия формируется оптически прозрачный поддерживающий слой.
Целесообразно кратковременное локальное энергетическое воздействие для активации самораспространяющейся экзотермической реакции между компонентами окислителя и восстановителя для формирования поддерживающего слоя и массива наночастиц плазмонного материала осуществлять посредством механического воздействия, или электрического разряда, или термического нагрева, или электромагнитного излучения оптического или микроволнового диапазона. Указанные типы воздействия являются наиболее распространенными и простыми в реализации, что исключает необходимость использования сложного оборудования при изготовлении подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света и позволяют производить активацию в любых условиях. Таким образом, отличительным признаком изобретения является то, что кратковременное локальное энергетическое воздействие, вызывающее самораспространяющуюся экзотермическую реакцию между компонентами окислителя и восстановителя, осуществляется посредством электрического разряда или электромагнитного излучения УФ, или оптического, или ИК, или микроволнового диапазона малой длительности, или термического нагрева.
На фиг. 1 приведены этапы предлагаемого способа изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света, где: 1 - твердотельная подложка; 2 - тонкая пленка в виде многослойной структуры, состоящая из слоя или слоев, содержащих компонент плазмонного материала, окислитель и восстановитель; 3 - поддерживающий слой; 4 - массив наночастиц плазмонного материала.
На фиг. 1,а представлен разрез структуры после осаждения на твердотельной подложке 1 тонкой пленки в виде многослойной структуры 2, состоящей из слоя или слоев, содержащих компонент плазмонного материала, окислитель и восстановитель.
На фиг. 1,б представлен разрез структуры после кратковременного локального энергетического воздействия, в результате которого происходит самораспространяющаяся экзотермическая реакция между компонентами окислителя и восстановителя и одновременно формируется поддерживающий слой 3 и массив наночастиц плазмонного материала 4 поверх него.
На фиг. 2 приведены этапы предлагаемого способа изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света, при котором компонент плазмонного материала содержится в верхнем слое тонкой пленки в виде многослойной структуры, где: 5 - тонкая пленка в виде многослойной структуры, состоящая из чередующихся слоев окислителя и восстановителя; 6 - слой, содержащий компонент плазмонного материала.
На фиг. 2,а представлен разрез структуры после осаждения на твердотельной подложке 1 тонкой пленки в виде многослойной структуры 5, состоящей из чередующихся слоев окислителя и восстановителя, и слой 6, содержащий компонент плазмонного материала поверх нее.
На фиг. 2,б представлен разрез структуры после кратковременного локального энергетического воздействия, в результате которого происходит самораспространяющаяся экзотермическая реакция между компонентами окислителя и восстановителя и одновременно формируются поддерживающий слой 3 и массив наночастиц плазмонного материала 4 поверх него.
На фиг. 3 приведены этапы предлагаемого способа изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц, при наличии зеркального слоя на твердотельной подложке для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света, где: 7 - зеркальный слой; 8 - оптически прозрачный поддерживающий слой.
На фиг. 3,а представлен разрез структуры после осаждения на твердотельной подложке 1 зеркального слоя 7 тонкой пленки в виде многослойной структуры 2, состоящей из слоя или слоев, содержащих компонент плазмонного материала, окислитель и восстановитель.
На фиг. 3,б представлен разрез структуры после кратковременного локального энергетического воздействия, в результате которого происходит самораспространяющаяся экзотермическая реакция между компонентами окислителя и восстановителя и поверх зеркального слоя 7 одновременно формируются оптически прозрачный поддерживающий слой 8 и массив наночастиц плазмонного материала 4 поверх него.
На фиг. 4 представлена раскадровка самораспространяющейся экзотермической реакции между компонентами окислителя и восстановителя после кратковременного локального энергетического воздействия.
На фиг. 5 для сравнения показаны результаты анализа материала - Родамина 6G с концентрацией 1 мкМ: 9 - спектр ГКРС, полученный на традиционной ГКРС-активной подложке, хранившейся в воздушной атмосфере в течение 2 недель; 10 - спектр ГКРС, полученный на подложке для получения спектров ГКРС, хранившейся в воздушной атмосфере в течение 2 недель и активированной кратковременным локальным энергетическим воздействием в виде электрической искры от маломощного пьезоэлектрического генератора непосредственно перед проведением измерения.
На фиг. 6 показаны РЭМ-изображения поверхности тонкой пленки после кратковременного локального энергетического воздействия, в результате которого происходит самораспространяющаяся экзотермическая реакция между компонентами окислителя и восстановителя и одновременно формируются поддерживающий слой 3 и массив наночастиц плазмонного материала 4.
Пример 1. Твердотельная стеклянная подложка была обработана в растворах КΑΡΟ и ПАР в течение 15 минут, после чего прошла промывку в деионизованной воде. Осаждение тонкой многослойной пленки Al-CuO толщиной 1500 нм, состоящей из чередующихся слоев Al и CuO толщиной 50 нм каждый, осуществлялось в вакуумной камере методом магнетронного распыления. Распыление мишеней Al 99,99% и CuO 99,99%, диаметром 120 мм каждая, происходило в атмосфере аргона при давлении 3×10-3 Торр и мощности на мишенях 500 и 250 Вт соответственно. Кратковременное локальное энергетическое воздействие осуществлялось посредством электрической искры от маломощного пьезоэлектрического генератора, что привело к формированию поддерживающего слоя (Al2O3) и массива плазмонных наночастиц Cu со средним диаметром частиц 200 нм.
Пример 2. Твердотельная стеклянная подложка была обработана в растворах КΑΡΟ и ПАР в течение 15 минут, после чего прошла промывку в деионизованной воде. Зеркальный слой Ag толщиной 50 нм был нанесен в вакуумной камере с методом магнетронного распыления при использовании 120 мм Ag 99,99% мишени в атмосфере Ar при давлении 3×10-3 Торр и мощности на мишенях 400 Вт. Осаждение тонкой многослойной пленки Al-AgO толщиной 1500 нм, состоящей из чередующихся слоев Al и AgO толщиной 50 нм каждый, осуществлялось в вакуумной камере методом магнетронного распыления. Распыление мишеней Al 99,99% и AgO 99,99% диаметром 120 мм каждая происходило в атмосфере аргона при давлении 3×10-3 Торр и мощности на мишенях 500 и 250 Вт соответственно. Кратковременное локальное энергетическое воздействие осуществлялось посредством электрической искры от маломощного пьезоэлектрического генератора, что привело к формированию поверх зеркального слоя Ag оптически прозрачного поддерживающего слоя Al2O3 и массива плазмонных наночастиц Ag со средним диаметром частиц 240 нм.
Пример 3. Твердотельная стеклянная подложка была обработана в растворах КΑΡΟ и ПАР в течение 15 минут, после чего прошла промывку в деионизованной воде. Осаждение тонкой многослойной пленки Al-Ni толщиной 1500 нм, состоящей из чередующихся слоев Al и Ni толщиной 50 нм каждый, осуществлялось в вакуумной камере методом магнетронного распыления. Распыление мишеней Al 99,99% и Ni 99,99% диаметром 120 мм каждая происходило в атмосфере аргона при давлении 3×10-3 Торр и мощности на мишенях 1000 и 800 Вт соответственно. Осаждение отдельного слоя плазмонного материала Au толщиной 50 нм осуществлялось поверх многослойной тонкой пленки в вакуумной камере методом вакуум-термического испарения при использовании при давлении 3×10-5 Торр.
Кратковременное локальное энергетическое воздействие осуществлялось посредством электрической искры от маломощного пьезоэлектрического генератора, что привело к формированию поддерживающего слоя (AlNi) и массива плазмонных наночастиц Au со средним диаметром частиц 120 нм.
Настоящее изобретение позволяет устранить недостатки способа-прототипа, обеспечивая предотвращение снижения эффекта усиления сигнала комбинационного рассеяния от изучаемого вещества и, соответственно, чувствительности подложки для получения спектров ГКРС в процессе хранения.
Источники информации
1. Патент РФ №2699310.
2. Патент РФ №2766343.
3. Патент Китая №103217410.
4. Патент США №2010149529.
5. Патент Китая №103575720.
6. Патент США №11480524 - прототип.
Claims (9)
1. Способ изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света, включающий осаждение на твердотельной подложке тонкой пленки и энергетическое воздействие, отличающийся тем, что тонкая пленка наносится в виде многослойной структуры, состоящей из слоя или слоев, содержащих компонент плазмонного материала, слоев окислителя и восстановителя, и энергетическое воздействие производится кратковременно и локально для активации самораспространяющейся экзотермической реакции между компонентами окислителя и восстановителя, приводящей к формированию поддерживающего слоя и массива наночастиц плазмонного материала поверх него.
2. Способ изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света по п. 1, отличающийся тем, что тонкая пленка в виде многослойной структуры формируется последовательным чередованием слоев окислителя и восстановителя, а компонент плазмонного материала содержится в составе окислителя.
3. Способ изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света по п. 1, отличающийся тем, что компонент плазмонного материала содержится в слое, который является последним при формировании тонкой пленки в виде многослойной структуры.
4. Способ изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света по пп. 1, 2, 3, отличающийся тем, что в качестве компонентов окислителей тонкой пленки в виде многослойной структуры могут быть использованы элементы из ряда N, О, F, Cl, Br, I, Ni, Cr, Si.
5. Способ изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света по п. 1, отличающийся тем, что в качестве компонентов восстановителей тонкой пленки в виде многослойной структуры могут быть использованы элементы из ряда Al, Ti, Zn, Zr.
6. Способ изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света по п. 1, отличающийся тем, что в качестве компонента плазмонного материала тонкой пленки в виде многослойной структуры могут быть использованы элементы из ряда Cu, Ag, Au.
7. Способ изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света по п. 1, отличающийся тем, что перед формированием тонкой пленки в виде многослойной структуры на твердотельную подложку наносится отражающий слой плазмонного материала, аналогичного или отличного от компонента плазмонного материала в тонкой пленке в виде многослойной структуры.
8. Способ изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света по пп. 1, 4, 5, 7, отличающийся тем, что в результате самораспространяющейся экзотермической реакции между компонентами окислителя и восстановителя поддерживающий слой формируется оптически прозрачным.
9. Способ изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света по пп. 1, 2, 3, отличающийся тем, что кратковременное локальное энергетическое воздействие осуществляется посредством механического воздействия, или электрического разряда, или термического нагрева, или электромагнитного излучения оптического или микроволнового диапазона.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2806842C1 true RU2806842C1 (ru) | 2023-11-08 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8243271B2 (en) * | 2009-02-26 | 2012-08-14 | Pchem Associates, Inc. | Methods for fabricating analytical substrates using metallic nanoparticles |
| CN103217410A (zh) * | 2013-04-02 | 2013-07-24 | 南京理工大学 | 金纳米粒子修饰金刚石薄膜表面增强拉曼光谱基底的制备方法 |
| RU2689479C1 (ru) * | 2017-12-28 | 2019-05-28 | Общество с ограниченной ответственностью "СУАЛ-ПМ" | Способ получения плазмонной пленочной структуры из аддитивных порошков на основе алюминия |
| US11480524B1 (en) * | 2022-05-16 | 2022-10-25 | King Fahd University Of Petroleum And Minerals | Surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8243271B2 (en) * | 2009-02-26 | 2012-08-14 | Pchem Associates, Inc. | Methods for fabricating analytical substrates using metallic nanoparticles |
| CN103217410A (zh) * | 2013-04-02 | 2013-07-24 | 南京理工大学 | 金纳米粒子修饰金刚石薄膜表面增强拉曼光谱基底的制备方法 |
| RU2689479C1 (ru) * | 2017-12-28 | 2019-05-28 | Общество с ограниченной ответственностью "СУАЛ-ПМ" | Способ получения плазмонной пленочной структуры из аддитивных порошков на основе алюминия |
| US11480524B1 (en) * | 2022-05-16 | 2022-10-25 | King Fahd University Of Petroleum And Minerals | Surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Büchel et al. | Sputtered silver oxide layers for surface-enhanced Raman spectroscopy | |
| Cesca et al. | Bidimensional ordered plasmonic nanoarrays for nonlinear optics, nanophotonics and biosensing applications | |
| Gupta et al. | Au-spotted zinc oxide nano-hexagonrods structure for plasmon-photoluminescence sensor | |
| US10429308B2 (en) | Carrier for Raman spectroscopy and method of manufacturing the same | |
| Shin et al. | Exciton recombination, energy-, and charge transfer in single-and multilayer quantum-dot films on silver plasmonic resonators | |
| Zhai et al. | Controllable preparation of the Au–MoS 2 nano-array composite: optical properties study and SERS application | |
| RU2806842C1 (ru) | Способ изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света | |
| RU2804508C1 (ru) | Способ изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинированного рассеяния света | |
| RU2804508C9 (ru) | Способ изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света | |
| JP2002277397A (ja) | 分子センサおよびラマン分光分析法 | |
| Saikiran et al. | Ultrafast laser induced subwavelength periodic surface structures on semiconductors/metals and application to SERS studies | |
| Alessandri et al. | Exploiting optothermal conversion for nanofabrication: site-selective generation of Au/TiO 2 inverse opals | |
| He et al. | Reversible conversion of nanoparticles of metallic silver and silver oxide in ultrathin TiO 2 films: a chemical transformation in nano-space | |
| Plaipichit et al. | Preparation of TiN nanorods for SERS substrate by controlling pulse frequency of high power impulse magnetron sputtering | |
| Yang et al. | Fine structure of the plasmon resonance absorption peak of Ag nanoparticles embedded in partially oxidized Si matrix | |
| Bondar et al. | Synthesis of surface structures during laser-stimulated evaporation of a copper sulfate solution in distilled water | |
| Pisarek et al. | Titanium (IV) Oxide Nanotubes in Design of Active SERS Substrates for High Sensitivity Analytical | |
| Bondar et al. | Formation of structured films upon irradiation of an aqueous solution of copper sulphate with high-power laser radiatio | |
| Saleem et al. | Cluster ion beam assisted fabrication of metallic nanostructures for plasmonic applications | |
| Culhane et al. | Laser-fabricated plasmonic nanostructures for surface-enhanced Raman spectroscopy of bacteria quorum sensing molecules | |
| Kuchmizhak et al. | Plasmon-mediated enhancement of rhodamine 6g spontaneous emission on laser-spalled nanotextures | |
| CN106884146A (zh) | 一种微量有机物残留高灵敏表面增强拉曼检测基底及制备和使用方法 | |
| Rybaltovskii et al. | Formation of Nanoparticles and Plasmonic Structures in Porous Materials Using Laser and SCF Technologies | |
| Grochowska et al. | Properties of thermally dewetted thin Au films on ITO-coated glass for biosensing applications | |
| RU2789995C1 (ru) | Способ получения тонких пленок из коллоидных растворов наночастиц благородных металлов и их сплавов, полученных методом импульсной лазерной абляции для спектроскопии усиленного комбинационного рассеяния |