Вплив форми латерально-впорядкованих наноструктур на ефективність поверхнево-підсиленого раманівського розсіювання

Автор(и)

  • I.Z. Indutnyi V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • V.O. Yukhymchuk V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • V.I. Mynko V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • S.V. Mamykin V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • N.V. Mazur V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • O.F. Isaieva V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • V.M. Dzhagan V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • V.A. Danko V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • V.S. Yefanov V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • A.A. Korchovyy V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine
  • P.M. Lytvyn V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics, Nat. Acad. of Sci. of Ukraine

DOI:

https://doi.org/10.15407/ujpe69.1.11

Ключові слова:

SERS, раманiвська спектроскопiя, бiґратки, локалiзований плазмонний резонанс, поверхневий плазмонний резонанс, атомна силова мiкроскопiя (АСМ), iнтерференцiйна фотолiтографiя

Анотація

Методом iнтерференцiйної фотолiтографiї на рельєфоутворюючих халькогенiдних шарах As10Ge30S60 сформовано два типи бiґраток з латерально-впорядкованими куполами та лунками. Покриття таких бiґраток шарами алюмiнiю (80 нм), срiбла (70 нм) та золота (10 нм) дозволило отримати два типи SERS пiдкладинок. Методом атомної силової мiкроскопiї дослiджено змiни морфологiї поверхонь SERS пiдкладинок в процесi їх формування. Показано, що перiоди обох типiв SERS пiдкладинок становлять ∼1200 нм, глибини лунок i висоти куполiв дорiвнюють ∼350 нм. Наступне осадження на сформованi рельєфи шарiв металiв незначно впливає на дiаметри лунок та розмiри куполiв. Вимiрювання спектрально-кутових залежностей вiдбиття поляризованого свiтла вiд сформованих SERS пiдкладинок в дiапазонi довжин хвиль 0,4–1,1 мкм та кутiв падiння 10–70∘ продемонструвало, що на цих пiдкладинках спостерiгається збудження як локальних плазмонних резонансiв (на структурах з куполами), так i плазмон-поляритонних поверхневих хвиль (на обох типах структур). Продемонстровано, що сформованi структури з латерально-впорядкованими куполами та лунками є ефективними SERS пiдкладинками. Встановлено, що структури з куполами на порядок ефективнiше пiдсилюють раманiвський сигнал вiд стандартного аналiту R6G при використанi для збудження раманiвських спектрiв лазерного випромiнювання з довжинами хвиль 457, 532 та 671 нм. Цей факт зумовлений тим, що при нормальному падiннi збуджуючого лазерного випромiнювання на структурах з куполами ефективно збуджуються локалiзованi плазмони в спектральних областях з максимумами 488 та 676 нм, а для структур з лунками, згiдно з їхнiми спектрами поглинання, такi особливостi не спостерiгаються.

Посилання

S.A. Meyer, E.C. Le Ru, P.G. Etchegoin. Combining surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy with surfaceenhanced raman scattering (SERS). Anal. Chem. 83, 2337 (2011).

https://doi.org/10.1021/ac103273r

R. Pilot, R. Signorini, C. Durante, L. Orian, M. Bhamidipati, L. Fabris. A review on surface-enhanced Raman scattering. Biosensors 9, 57 (2019).

https://doi.org/10.3390/bios9020057

C. Xiao, Z. Chen, M. Qin, D. Zhang. H. Wu. Two dimensional sinusoidal Ag nanograting exhibits polarizationindependent surface enhanced Raman spectroscopy and its surface plasmon polariton and localized surface plasmon coupling with Au nanospheres colloids. J. Raman Spectrosc. 50, 1 (2018).

https://doi.org/10.1002/jrs.5514

L. Lan, Y. Gao, X. Fan, M. Li, Q. Hao, T. Qiu. The origin of ultrasensitive SERS sensing beyond plasmonics. Front. Phys. 16, 43300 (2021).

https://doi.org/10.1007/s11467-021-1047-z

M.V. Chursanova, L.P. Germash, V.O. Yukhymchuk, V.M. Dzhagan, I.A. Khodasevich, D. Cojoc. Optimization of porous silicon preparation technology for SERS applications. Appl. Surf. Sci. 256, 3369 (2010).

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2009.12.036

V. Cupil-Garcia, P. Strobbia, B.M. Crawford, H.-N. Wang, H. Ngo, Y, Liu, T. Vo-Dinh. Plasmonic nanoplatforms: From surface-enhanced Raman scattering sensing to biomedical applications. J. Raman Spectrosc. 52, 1 (2020).

https://doi.org/10.1002/jrs.6056

S. Schlucker. Surface-enhanced Raman spectroscopy: Concepts and chemical applications. Angew. Chem. Int. Ed. 53, 4756 (2014).

https://doi.org/10.1002/anie.201205748

W. Xie, S. Schlucker. Medical applications of surfaceenhanced Raman scattering. Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 5329 (2013).

https://doi.org/10.1039/c3cp43858a

Z.A. Nima, A. Biswas, I.S. Bayer, F.D. Hardcastle, D. Perry, A. Ghosh, E. Dervishi, A.S. Biris. Applications of surface-enhanced Raman scattering in advanced bio-medical technologies and diagnostics. Drug Metab. Rev. 46, 155 (2014).

https://doi.org/10.3109/03602532.2013.873451

P.H.B. Aoki, L.N. Furini, P. Alessio, A.E. Aliaga, C.J.L. Constantino. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) applied to cancer diagnosis and detection of pesticides, explosives, and drugs. Rev. Anal. Chem. 32, 55 (2013).

https://doi.org/10.1515/revac-2012-0019

M. Leona, J. Stenger, E. Ferloni. Application of surfaceenhanced Raman scattering techniques to the ultrasensitive identification of natural dyes in works of art. J. Raman Spectrosc. 37, 981 (2006).

https://doi.org/10.1002/jrs.1582

N.P.W. Pieczonka, R.F. Aroca. Single molecule analysis by surfaced-enhanced Raman scattering. Chem. Soc. Rev. 37, 946 (2008).

https://doi.org/10.1039/b709739p

W. Yue, Z. Wang, J. Whittaker, F. Lopez-royo, Y. Yangd, A.V. Zayats. Amplification of surface-enhanced Raman scattering due to substrate-mediated localized surface plasmons in gold nanodimers. J. Mater. Chem. C 4, 2 (2016).

N. Valley, N. Greeneltch, R.P. Van Duyne, G.C. Schatz. A look at the origin and magnitude of the chemical contribution to the enhancement mechanism of surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS): Theory and experiment. J. Phys. Chem. Lett. 4, 2599 (2013).

https://doi.org/10.1021/jz4012383

Ye. Kalachyova, D. Mares, O. Lyutakov, M. Kostejn, L. Lapcak, V.ˇSvorˇc'ık. Surface plasmon polaritons on silver gratings for optimal SERS response. J. Phys. Chem. C 119, 9506 (2015).

https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b01793

D. Barchiesi, A. Otto. Excitations of surface plasmon polaritons by attenuated total reflection, revisited. Riv. Nuovo Cim. 36, 173 (2013).

S.L. Kleinman, R.R. Frontiera, A.-I. Henry, J.A. Dieringer, R.P. Van Duyne. Creating, characterizing, and controlling chemistry with SERS hot spots. Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 21 (2013).

https://doi.org/10.1039/C2CP42598J

V.O. Yukhymchuk, S.A. Kostyukevych, V.M. Dzhagan, A.G. Milekhin, E.E. Rodyakina, I.B. Yanchuk, P.Ye. Shepeliavy, M.Ya. Valakh, K.V. Kostyukevych, V.O. Lysiuk, I.V. Tverdokhlib. SERS of Rhodamine 6G on substrates with laterally ordered and random gold nanoislands. Semicond. Phys. Quant. Electron. Optoelectron. 15, 232 (2012).

https://doi.org/10.15407/spqeo15.03.232

M.V. Chursanova, V.M. Dzhagan, V.O. Yukhymchuk, O.S. Lytvyn, M.Y. Valakh, I.A. Khodasevich, D. Lehmann, D.R.T. Zahn, C. Waurisch, S.G. Hickey. Nanostructured silver substrates with stable and universal SERS properties: application to organic molecules and semiconductor nanoparticles. Nanosc. Res. Lett. 5, 403 (2010).

https://doi.org/10.1007/s11671-009-9496-2

V.O. Yukhymchuk, O.M. Hreshchuk, V.M. Dzhagan, M.V. Sakhno, M.A. Skoryk, S.R Lavoryk, G.Y. Rudko, N.A. Matveevskaya, T.G. Beynik, M.Ya. Valakh. Experimental studies and modeling of "starlike" plasmonic nanostructures for SERS application. Phys. Status Solidi B 256, 1800280 (2019).

https://doi.org/10.1002/pssb.201800280

V. Dan'ko, M. Dmitruk, I. Indutnyi, S. Mamykin, V. Myn'ko, M. Lukaniuk, P. Shepeliavyi, P. Lytvyn. Fabrication of periodic plasmonic structures using interference lithography and chalcogenide photoresist. Nanosc. Res. Lett. 10, 497 (2015).

https://doi.org/10.1186/s11671-015-1203-x

I.Z. Indutnyy, M. Popescu, A. Lorinczi, F. Sava, V.I. Min'ko, P.E. Shepeliavyi, V.A. Dan'ko. Fabrication of submicrometer periodic structures using interference lithography and two-layer chalcogenide photoresist. J. Optoelectron. Adv. Mater. 11, 1967 (2009).

V.A. Dan'ko, I.Z. Indutnyi, V.I. Mynko, P.M. Lytvyn, M.V. Lukaniuk, H.V. Bandarenka, A.L. Dolgyi, S.V. Redko. Formation of laterally ordered arrays of noble metal nanocavities for SERS substrates by using interference photolithography. Semicond. Phys. Quant. Electron. Optoelectron. 24, 48 (2021).

https://doi.org/10.15407/spqeo24.01.048

N.L. Dmitruk, V.G. Litovchenko, V.L Strygewskyy. Surface Polaritons in Semiconductors and Dielectrics (Naukova Dumka, 1989).

P.B. Johnson, R.W. Christy. Optical constants of the noble metals. Phys. Rev. B 6, 4370 (1972).

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.6.4370

I.Z. Indutny, V.I. Minko, M.V. Sopinskyi, V.A. Danko, P.M. Lytvyn, A.A. Korchovyi. Dependence of the excitation efficiency of surface plasmon-polaritons on the relief depth of aluminum lattice. Optoelektron. Polyprov. Tekhn. 55, 117 (2020) (in Ukrainian).

https://doi.org/10.15407/iopt.2020.55.117

M.V. Sosnova, N.L. Dmitruk, A.V. Korovin, S.V. Mamykin. Local plasmon excitations in one-dimensional array of metal nanowires for sensor applications. Appl. Phys. B 99, 493 (2010).

https://doi.org/10.1007/s00340-009-3799-y

I.Z. Indutnyi, V.I. Mynko, M.V. Sopinskyy, V.A. Dan'ko, P.M. Lytvyn. The effect of surface plasmon-polaritons on the photostimulated diffusion in light-SENSITIVE AgAs4Ge30S66 structures. Semicond. Phys. Quant. Electron. Optoelectron. 24, 436 (2021).

Downloads

Опубліковано

2024-02-06

Як цитувати

Indutnyi, I., Yukhymchuk, V., Mynko, V., Mamykin, S., Mazur, N., Isaieva, O., Dzhagan, V., Danko, V., Yefanov, V., Korchovyy, A., & Lytvyn, P. (2024). Вплив форми латерально-впорядкованих наноструктур на ефективність поверхнево-підсиленого раманівського розсіювання. Український фізичний журнал, 69(1), 11. https://doi.org/10.15407/ujpe69.1.11

Номер

Том 69 № 1 (2024)

Розділ

Оптика, атоми і молекули

Ліцензія

Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна

Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:

1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.

2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.

3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.

4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.

5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.

6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.

Crossref
Scopus
Google Scholar
Europe PMC

Статті цього автора (авторів), які найбільше читають