Плазмоны на графене. Дизайнер: Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ
Исследователи из лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ и научных центров Испании предложили методику изучения свойств единичных органических молекул и нанометровых молекулярных слоев, основанную на применении клиновидных структур из графена и металлической пленки. Работа опубликована в журнале Nanophotonics.
Неразрушающий анализ молекул с помощью инфракрасной спектроскопии необходим для множества жизненно важных ситуаций в органической и неорганической химии, в частности, для контроля концентрации газа, выявления деградации полимера или определения содержания алкоголя в крови. Этот простой метод, однако, не позволяет изучать небольшое число молекул в нанометрических объемах. Ученые из Центра двумерных материалов МФТИ предложили свой метод решения проблемы.
Центральным «действующим лицом» новой методики стали плазмоны, распространяющиеся в клиновидной структуре размером в десятки нанометров. В широкой трактовке плазмоном называется псевдочастица, состоящая из колеблющихся электронов и связанного с ними электромагнитного поля. В плазмонах, распространяющихся вдоль графена (слоя углерода толщиной в один атом), колеблющиеся заряды являются Дираковскими электронами или дырками. Если параллельно с графеном расположить металл с хорошей проводимостью — например, золото — на небольшом, в несколько нанометров расстоянии от графена, то плазмоны станут более локализованными, их длина волны сильно уменьшится. Такие плазмоны называют акустическими.
Рисунок 1. Игла ближнепольного микроскопа возбуждает обычные плазмоны в графене на большом расстоянии от узкой части клина. Дизайнер: Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ
Идея работы заключалась в использовании процесса преобразования обычных графеновых плазмонов в акустические путем их «сжатия» (фокусировки). Расстояние между напыленной пленкой металла и слоем графена постепенно уменьшается, образуя сужающийся клин, заполненный диэлектриком, например, нитридом бора. При распространении плазмона вдоль графена его поле становится все более и более сжато в зазоре между графеном и металлом. За счет этого многократно уменьшается длина волны и увеличивается амплитуда поля в зазоре. И плазмон постепенно преобразуется из обычного в акустический.
«То, как поляритоны и волноводные моды могут сжиматься при постепенном уменьшении волновода, было известно ранее. Мы же хотели рассмотреть этот процесс именно для графена, но пошли дальше и рассмотрели возможные применения системы из графена и металла для получения молекулярных спектров», — рассказывает Кирилл Воронин, соавтор работы, сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ.
В качестве примера ученые исследовали молекулу, сокращенно называемую CBP, которая используется в органических светодиодах и фармацевтике, — она имеет один довольно характерный пик поглощения примерно на длине волны 6,9 микрон. Авторы рассмотрели отклик от слоя молекул с толщиной 2 нанометра, размещенного в узкой части клина, между графеном и металлом. То есть толщина исследуемого слоя была на три порядка меньше, чем длина волны возбуждающего лазерного излучения. Поэтому, используя стандартную спектроскопическую методику, измерить столь малое поглощение этих молекул было бы невозможно.
В предложенной физиками конфигурации, благодаря существенно меньшей области локализации поля, появляется возможность сфокусироваться на исследуемых молекулах так, чтобы получить очень большой отклик даже от нескольких молекул, а в случае больших молекул, как ДНК, и от единичной молекулы.
Плазмоны в графене можно возбуждать по-разному. Наиболее эффективно возбуждение с помощью сканирующего ближнепольного микроскопа рассеивающего типа. Игла этого микроскопа помещается на небольшом расстоянии от графена и облучается сфокусированным пучком света. И поскольку размер кончика иглы очень маленький, он может возбудить волны с очень большим волновым вектором (малой длиной волны). Возбужденные вдали от узкой части клина плазмоны (рисунок 1) распространяются вдоль этого клина в сторону сужающейся части, где находится слой молекул. Плазмоны взаимодействуют с молекулами, отражаются от узкого окончания клина и рассеиваются этой же иглой ближнепольного микроскопа, за счет чего детектируются.
«Мы рассчитывали коэффициент отражения, то есть отношение интенсивности отраженного плазмона к интенсивности вводимого лазерного излучения. Хорошо видна зависимость коэффициента отражения от частоты. И ее максимум приходится на пик поглощения молекул. Видно, что для обычных графеновых плазмонов поглощение очень слабое, несколько процентов. А в случае акустических плазмонов коэффициент отражения падает на десятки процентов. Значит, излучение очень сильно поглощается в небольшом слое молекул», — уточняет соавтор работы, сотрудник Международного Физического Центра Доностии (Испания), визит-профессор МФТИ Алексей Никитин.
Для создания девайса на основе предложенной авторами методики требуется доработка технологических процессов, однако концепция может быть в будущем воплощена в реальных устройствах. Основная сфера применения таких устройств, по мнению авторов работы, — исследование свойств малоизученных органических веществ и детектирование известных.
Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ, в который входит лаборатория нанооптики и плазмоники, нацелен на достижение глобального лидерства в таких областях, как активная плазмоника, оптоэлектроника двумерных материалов и квантовая оптоэлектроника. Основными задачами центра являются разработка и создание принципиально нового класса наноразмерных оптоэлектронных приборов и компонентов широкого спектра применений (элементная база электроники, наносенсоры, биосенсоры, нанолазеры, квантовые линии связи, энергоэффективные световые устройства и др.), включая применения специального назначения. Руководит центром Волков Валентин Сергеевич, nano@phystech.edu
