Год издания: 2023
Ключевые слова: плазмоны с переносом заряда, графен, биосенсоры, периодические структуры, металлические наночастицы, проводящая поверхность, терагерцовые технологии
Аннотация: Поверхностные плазмоны (ПП), т.е. колебания свободных электронов вблизи проводящей поверхности, сейчас широко начинают использоваться в таких применениях, как фотоэлектрические элементы, плазмонные лазеры, биомедицинские и телекоммуникационные приложения и др.. Особенно важно применение ПП в биосенсорах, что обусловлено высокой чувПоказать полностьюствительностью частоты плазмона к диэлектрической проницаемости окружающей наноструктуру химическому окружению. Большая часть биосенсоров на наличие разнообразных белковых и иных молекул, построены сейчас на основе ПП плазмонов. ?Наличие канала проводимости между проводящего наночастицами приводит к появлению плазмонов с переносом заряда (ППЗ), при котором заряды периодически перемещаются между наночастицами по проводящему каналу. Из-за наличия расстояния между наночастицами и движения носителей между ними по узкому каналу частота ППЗ плазмонов обычно лежит в ИК или терагерцовой области. ?Применения ППЗ в биосенсорах ИК диапазона должны быть перспективными, так как такое излучение, в отличии от видимого диапазона, может глубоко проникать в биологические ткани. Кроме того, фотоповреждения клеток и тканей в ИК (или терагерцовом диапазоне) несравненно меньше по сравнению с видимым диапазоном.?В последние годы начали появляться работы, посвященные исследованию плазмонных эффектов на графене. Графен обладает уникальными свойствами в этой области. Подвижность в графене на 1-2 порядка превышает подвижность носителей в меди. При этом на оптическую проводимость графена легко можно влиять посредством смещения уровня Ферми с помощью электрического смещения. При этом ввиду планарной природы графена в нем экспериментально наблюдаются плазмоны не только в ИК, но и в терагерцовом диапазоне при малом волновом векторе плазмонов.?Сенсоры терагерцового диапазона сейчас начинают интенсивно применяться в различных областях: детектировании объектов сквозь непрозрачные преграды, применением в торговле (радиометки), сельском хозяйстве (диагностика качества семян), медицине (диагностика опухолей) и др.?При размещении отдельных металлических наночастиц или их комплексов на графене уже были обнаружены ППЗ плазмоны с частотами в ИК или терагерцовом диапазоне. Были уже продемонстрированы первые потенциальные возможности таких систем в качестве фотодетекторов или в качестве оптоэлектронных наномодуляторов с высоким коэффициентом модуляции. При этом свойства аналогичных комплексов наночастиц металлов (Au, Ag), выращенных на поверхности того же металла, еще практически не изучались. ?Благодаря актуальности развития таких систем, в проекте будут изучаться ППЗ в системах, состоящих из периодических, или непериодических комплексов наночастиц изметаллов (золото, серебро), лежащих на проводящей подложке (графен или поверхность металла). ?Теоретически свойства ППЗ плазмонов будут рассчитаны с помощью развития оригинальной модели, основанной на рассмотрении колебаний зарядов, где заряды наночастиц определяют потенциальную энергию частиц, а осцилляции плотности определяют кинетическую энергию носителей и определяются из вычисления оптической проводимости. В проекте оптическая проводимость для случая поверхности металлов будет вычисляться c помощью квантово-химических расчетов тонких пластин методом DFT-GGA. Данное моделирование поможет определить наилучшую геометрию систем для их практического применения. ?Также будут проведены синтезы систем, наиболее интересных для практического использования ППЗ. Они будут синтезироваться с помощью литографии при нанесении металла на поверхность металла или графена через маску, с последующим вытравливанием металла. Полученные системы будут исследоваться с помощью электронной и атомной силовой микроскопии для определения геометрии систем. Далее они будут исследоваться с помощью спектроскопии в видимом/инфракрасном/терагерцовом диапазоне с целью определения пиков поглощения, соответствующим возбуждению ППЗ плазмонов.