Регистрация / Вход
Прислать материал

НОВЫЙ МЕТОД ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗОЛОТО-КРЕМНИЕВЫХ НАНОЧАСТИЦ ТИПА ЯДРО-ОБОЛОЧКА ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ

Сведения об участнике
ФИО
Зограф Георгий Петрович
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
НОВЫЙ МЕТОД ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗОЛОТО-КРЕМНИЕВЫХ НАНОЧАСТИЦ ТИПА ЯДРО-ОБОЛОЧКА ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ
Резюме
Предложен новый способ создания золото-кремниевых наночастиц типа ядро-оболочка методом фемтосекундной лазерной абляции тонких пленок золота и аморфного кремния. Размеры гибридных наночастиц регулируются толщинами пленок, что позволяет эффективно управлять оптическими свойствами получаемых наночастиц.
наночастицы типа ядро-оболочка, кор-шеллы, нанофотоника, лазерная абляция
Ключевые слова
наночастицы типа ядро-оболочка, кор-шеллы, нанофотоника, лазерная абляция
Цели и задачи
Целью данной работы является разработка методики одноэтапного изготовления наночастиц типа ядро-оболочка из плазмонных материалов и высокоиндексных диэлектриков для создания высокоэффективных наноразмерных источников излучения.
Задачи:
1) разработать высокопроизводительный метод создания наночастиц типа ядро-оболочка из плазмонных материалов и высокоиндексных диэлектриков
2) оптимизировать эффективность преобразования падающего на наночастицы лазерного излучения в излучение на более высоких частотах.
Введение

Плазмонные наночастицы способны локализовывать и усиливать свет на наномасштабе. Однако, металлические наночастицы простых форм имеют только резонансы электрической природы. Магнитный оптический отклик экспериментально наблюдался в диэлектрических наночастицах с высоким показателем преломления. Это открывает возможности для управления диаграммой направленности таких наночастиц вследствие интерференции электрических и магнитных оптических резонансов. Сочетание преимуществ диэлектрических и плазмонных наночастиц при формировании гибридных (металло-диэлектрических) наночастиц позволило бы иметь как магнитный оптический отклик из-за диэлектрической части, так и высокую степень локализации поля за счет металлической части.

Методы и материалы

В работе впервые продемонстрирован метод создания наночастиц типа ядро-оболочка из золота и кремния, основанный на лазерной абляции многослойных тонких пленок с использованием фемтосекундных лазерных импульсов.

Абляция представляет собой способ удаления материала с поверхности при помощи лазерных импульсов. При низких мощностях, лазер испаряет или сублимирует вещество в виде свободных атомов и кластеров. Когда интенсивность остросфокусированного лазерного импульса превышает порог абляции, происходит микро-взрыв с вылетающими с поверхности жидкими частицами. Тонкие пленки золота и аморфного кремния наносились на стеклянную подложку. Энергетический режим лазера был подобран таким образом, что аблировались обе пленки, но стеклянная подложка оставалась без изменения. Как показало моделирования и результаты анализа при помощи метода комбинационного рассеяния, в процессе абляции аморфный кремний перестраивается в кристаллический кремний. Кристаллический кремний, как известно, лучший материал для нанооптических применений по сравнению с аморфным, содержащим множество дефектов.

Спектры рассеяния полученных наночастиц были измерены при помощи конфокальной экспериментальной установки темнопольной микро-спектроскопии. Концепция основана на том, что отраженный свет проходит мимо собирающего объектива и только рассеянный на наночастицах свет детектируется.

Описание и обсуждение результатов

Полученные наночастицы, изготовленные из пленок Au/Si 15/90нм изучались экспериментально с помощью просвечивающей электронной микроскопии(ПЭМ). ПЭМ показала, что полученные наночастицы имеют структуру с золотым ядром и кремниевой оболочкой со средним размером менее 200 нм. Спектр рассеяния наночастиц указывают на наличие трех типов резонансов в видимом диапазоне - электрический дипольный (ЭД), магнитный дипольный (MД) и магнитной квадрупольный (MК). Эти результаты были подтверждены численными расчетами полного сечения рассеяния и векторных распределений электрического поля наночастиц с геометрией, соответствующей размерам полученным на просвечивающем электронном микроскопе. Численные расчеты показывают способность эффективно управлять диаграммой направленности рассеянного света наночастицами. ЭД и МД типам резонансов присуще отсутствие излучения в дальнее поле вдоль направления E-вектора и вдоль H-вектора, а также эквивалентного излучения в прямом и обратном направлении вдоль волнового вектора падающей волны. Диаграмма направленности МК резонанса обладает меньшим боковым излучением, по сравнению с МД. В случае интерференции МД и ЭД резонансов можно получить источник Гюйгенса со сверхнаправленным излучением.

Наночастицы типа ядро-оболочка сохраняют наличие высокой степени локализации и усиления поля, а также сильный эффект Парселла для точечного дипольного источника света в диэлектрической оболочке в связи с наличием резонанса золотого ядра. В качестве такого источника в оболочке может быть, например, примесный люминесцирующий ион, чье усиленное излучение далее может быть использовано либо в интегральных оптических схемах, либо для биоимеджинга.

Важно отметить, что структура оптических резонансов полученных гибридных наночастиц является довольно богатой и легко перестраиваемой за счет использования пленок разной толщины. Особый интерес представляет случай,  когда ЭД возбуждается в области длин волн 0.9-1 мкм, а МД – в области 0.4-0.5 мкм, что крайне перспективно для использования таких частиц для гигантского усиления генерации второй гармоники. С учетом того, что поликристаллические золото и кремний обладают высокими нелинейными восприимчивостями, ожидается, что полученные нами наночастицы лягут в основу нелинейной гибридной нанофтоники. 

В заключение, нами впервые было показано, что лазерная печать позволяет добиться контролируемого изготовления наночастиц с ядрами из благородных металлов и диэлектрическими оболочками с высоким показателем преломления. Численное моделирование и измерения темнопольных спектров позволило изучить поведение полученных наночастиц типа ядро-оболочка, демонстрирующих магнитный оптический отклик в видимом диапазоне. Такой тип наночастиц является перспективной платформой для создания направленных нанолазеров, нелинейных преобразователей частоты и биосенсоров.

Используемые источники
1. S.A.Maier. Plasmonics: fundamentals and applications. 2007.
2. V.Klimov. Nanoplasmonics. 2014.
3. A.Krasnok et al. SPIE Optics+ Optoelectronics. International Society for Optics and Photonics, 2015.
4. J.Zhou. Physical review letters 95.22 (2005): 223902.
5. S.Makarov et al. Nano letters 15.9 (2015): 6187-6192.
6. A.Kuznetsov et al. Scientific reports 2 (2012).
7. A.Krasnok et al. Nanoscale 6.13 (2014): 7354-7361.
8. L.Shi et al. Advanced materials 24.44 (2012): 5934-5938.
9. U.Zywietz, et al. Nature communications 5 (2014).
10. D.Zuev et al. Advanced Materials, vol. 28 (2016 ): 3087–3093.
11. G.Chen et al. ACS nano 6.9 (2012): 8280-8287.
12. P.Liu et al. The Journal of Physical Chemistry C 119.2 (2015): 1234-1246.
13. P.Dmitriev et al. Nanoscale (2015).
Information about the project
Surname Name
Zograf Georgii
Project title
NOVEL METHOD FOR FABRICATION OF GOLD-SILICON CORE-SHELL NANOPARTICLES FOR MODERN OPTICAL APPLICATIONS
Summary of the project
A novel method for fabrication of gold-silicon core-shell nanoparticles is based on femtosecond laser ablation of thin films of gold and amorphous silicon. Sizes of the particles depend on film thicknesses which allows to effectively tune optical properties of the resulted core-shell nanoparticles.
Keywords
core-shell nanoparticles, nanophotonics, laser ablation