Регистрация / Вход
Прислать материал

Усиление комбинационного рассеяния на оптических магнитных резонансах кристаллических кремниевых наночастиц

Сведения об участнике
ФИО
Дмитриев Павел Алексеевич
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Оптика, квантовая электроника
Тема
Усиление комбинационного рассеяния на оптических магнитных резонансах кристаллических кремниевых наночастиц
Резюме
Разработана методика изготовления кристаллических кремниевых наночастиц из аморфных тонких плёнок методом лазерного переноса одиночными фемтосекундными импульсами. Экспериментально продемонстрирован эффект усиления комбинационного рассеяния на оптических резонансах кристаллических кремниевых наночастиц. Усиление комбинационного имеет сильно резонансный характер, зависящий от добротности оптических резонансов и от степени локализации поля в наночастицы для конкретного резонанса.
Ключевые слова
диэлектрические наночастицы, резонансное рассеяние, рамановское рассеяния, комбинационное рассеяние, лазерный перенос, лазерная абляция
Цели и задачи
Цель проекта: Экспериментально продемонстрировать усиление комбинационного рассеяния на оптических резонансах кристаллических кремниевых наночастиц.

Для достижения цели были решены следующие задачи:
1. Собрана установка для лазерной печати наночастиц одиночными фемтосекундными импульсами из аморфных тонких плёнок и найдены режимы контролируемой печати кристаллических наночастиц.
2. Определена резонансная структура собственных мод наночастиц и её зависимость от геометрических параметров наночастиц при помощи измерения спектра упругого рассеяния от одиночных наночастиц.
3. Определена зависимость интенсивности комбинационного рассеяния от спектрального положения оптических резонансов наночастиц.
Введение

Современные исследования в области диэлектрических нанофотонных структур на основе высокоиндексных субволновых наночастиц позволяют создавать полностью диэлектрические резонансные структуры с большим усилением поля, большим фактором Парселла, и усиленным нелинейным откликом с низкими потерями и нагревом. Ключевым элементом диэлектрической нанофотоники являются высокоиндексные наночастицы, поддерживающие резонансы типа «Ми» в видимом диапазоне. Многие полупроводниковые материалы, включая кристаллический кремний, имеют собственный сигнал комбинационного рассеянияю. В этой работе исследовалось комбинационное рассеяния от одиночных наночастиц вблизи электрических и магнитных резонансов Ми-типа.

Методы и материалы

Для изготовления наночастиц была собрана установка по лазерной абляции тонких плёнок (донор), с последующим переносом созданных таким образом частиц на акцепторную подложку в геометрии просвечивания. Наночастицы изготавливались одиночными фемтосекундными лазерными импульсами. Основным параметром позволяющим контролировать размеры и фазовое состояние частиц была плотность энегрии лазерных импульсов.

Для характеризации геометрических параметров наночастиц использовались методики сканирующей и просвечивающей микроскопии.

Фазовое состояние частиц контролировалось двумя методами - рентгеновской дифрактометрией кластера наночастиц и по спектрам комбинационного (Рамановского) рассеяния от одиночных наночастиц.

Для характеризации оптических свойств одиночных наночастиц использовалась установка совмещающая темнопольную и Рамановскую спектроскопию. Размер пятна сбора конфокального спектрометра позволял анализировать рассеяние от одиночных наночастиц.Спектроскопия комбинационного рассеяния была организована на той же установке. Чтобы исследовать неупругое, Стоксово рассеяние, при помощи узкополосного режекторного фильтра в спектрометре подавлялось излучение на длине волны возбуждения.

Описание и обсуждение результатов

В ходе работы, методом лазерного переноса, было изготовлено несколько серий образцов наночастиц. Экспериментально установлено, что самый стабильный режим изготовления наночастиц из аморфных кремниевых плёнок, это плёнка толщиной порядка 100нм, и плотность энергии в диапазоне 0.11 — 0.15Дж/см2. В этом диапазоне энергий, варьируя мощность, можно с хорошей точностью контролировать средний размер получаемых частиц в диапазоне 100-200нм.

Для характеризации геометрических параметров получаемых наночастиц были проведены эксперименты на сканирующем и просвечивающих электронных микроскопах, что показало, что частицы получаются близкими к сферическим, с отношением полуосей равным 1.12.

Для харакетризации фазового состояния наночастиц, было проведено две серии экспериментов — рентгеновская дифрактометрия плотноупакованного массива наночастиц, которая показала характерные для кристаллического кремния пики; и спектроскопия комбинационного рассеяния от отдельных наночастиц, показавшая, что у отдельных наночастиц спектр комбинационного рассеяния почти не отличается от спектра комбинационного рассеяния кристаллического кремния.

Эксперименты по тёмнолпольной спектроскопии упругого рассеяния от полученных наночастиц подтвердили наличие у частиц резонансов типа «Ми». Также тёмнопольная спектроскопия отдельных наночастиц подтвердила однородность размеров наночастиц получаемых при фиксированной плотности энергии лазерных импульсов используемых для изготовления частиц.

Эксперименты по измерению комбинационного рассеяния от наночастиц подтвердили резонансный характер этого явления. При попадании длины волны накачки в один из резонансов частиц, сигнал комбинационного рассеяния увеличивался более, чем на два порядка относительно сигнала от не резонансной частицы. Так как уровень сигнала комбинационного рассеяния от наночастиц зависит от объема частицы и от объёма возбуждаемой электромагнитной моды внутри частицы, то для корректной интерпретации эксперимента уровень сигнала комбинационного рассеяния нормировался на объём частицы, который оценивался из положения пика магнитного дипольного резонанса.

Обнаруженный новый эффект резонансного усиления КР от кремниевых наночастиц найдет множество применений в нанотермометрии и биоимеджинге. Биосовместимые высокоиндексные диэлектрики с низкими потерями в видимом и ближнем ИК диапазонах позволяют достигать существенного усиления поля, оптимизировать вывод полезного сигнала за счет интерференции электрического и магнитного резонансов, не приводят к тушению люминесценции и сами обладают Рамановским откликом. На основе кремниевых наночастиц можно создавать подложки для SERS, позволяющие использовать во много раз более интенсивную накачку, чем традиционные плазмонные SERS подложки, из-за очень низких диссипативных потерь у кристаллических кремниевых наночастиц.

Используемые источники
1. W. Hayes and R. Loudon, Scattering of Light by Crystals, Wiley, 1978.
2. A. I. Kuznetsov, A. E. Miroshnichenko, Y. H. Fu, J. Zhang and B. Luk’yanchuk, Sci. Rep., 2012, 2, 492.
3. RS Savelev, SV Makarov, AE Krasnok, PA Belov “From optical magnetic resonance to dielectric nanophotonics” Optics and Spectroscopy 119 (4), 551-568 (2015).
4. P. A. Dmitriev , S. V. Makarov, V. Milichko, I. Mukhin, A. Gudovskikh, A. Sitnikova, A. Samusev, A. Krasnok, P. Belov Nanoscale 2015
5. Permyakov, D., Sinev, I., Markovich, D., Ginzburg, P., Samusev, A., Belov, P., Valuckas, V., Kuznetsov, A.I., Luk'yanchuk, B.S., Miroshnichenko, A.E. and Neshev, D.N., 2015. Applied Physics Letters, 106(17), p.171110.
6. P. Dmitriev, D. Baranov, V. Milichko, S. Makarov, I. Mukhin, A. Samusev, A. Krasnok, P. Belov, Y. Kivshar, Nanoscale, 2016,8, 9721-9726
Information about the project
Surname Name
Dmitriev Pavel
Project title
Resonant Raman Scattering on Optical Magnetic Resonances of Crystalline Silicon Nanoparticles
Summary of the project
A method of fabricating crystalline silicon nanoparticles from amorphous thin films using single femtosecond laser pulses was developed.
Raman scattering, enchanced by optical resonances of crystalline silicon nanoparticles has been experimentally demonstrated. The enhancement of the Raman signal is resonant, with the Q factor of the enhancement depending on the Q factor of the nanoparticles' Mie-type resonances, and electric field confinement inside the nanoparticle.
Keywords
dielectric nanoparticles, resonant scattering, raman scattering, laser transfer, laser ablation