Учёные СФУ изучили «плазмонные иглы»

Материалы, структурированные на наноуровне, обладают уникальными физико-химическими свойствами и обеспечивают беспрецедентные возможности, которые используются во многих важных социальных областях, таких как здравоохранение, экологические исследования, преобразование энергии. Успех здесь в значительной степени зависит от возможностей теоретического наноразмерного проектирования соответствующих материалов для их дальнейшего целенаправленного синтеза с заданными свойствами для решения прикладных задач. К числу важного класса устройств, обеспечивающих ультрафокусировку света в чрезвычайно малой пространственной области, относятся светоконцентрирующие плазмонные иглы. Эти устройства лежат в основе широкого круга прикладных задач.

По словам учёных, в данной статье на атомистическом уровне впервые детально описаны физические процессы, происходящие при воздействии различных температур, характерных для реальных экспериментов, в плазмонных иглах (кантилеверах).

С помощью многомасштабной теории, включающей атомистическое моделирование, FEM-электродинамику, методы молекулярной динамики (MD) и собственное разрабатываемое программное обеспечение, сделан первый шаг к исследованию нанофокусировки локального электромагнитного поля на субволновом масштабе в различных плазмонных структурах с острыми кромками для их использования в TERS-спектроскопии.

Помимо этого, в работе исследованы конфигурации светоконцентрирующих несферических плазмонных наночастиц (конусы, тетраэдры, октаэдры). С помощью МД-моделирования показано, что такие формы как тетраэдры и октаэдры в наибольшей степени отвечают требованиям структурной устойчивости.

«Наноразмерные элементы с тетраэдрической конфигурацией вершинной части кантилевера могут выполнять функцию плазмонной иглы и обладать при этом более длительным временем жизни в условиях нагрева по сравнению со структурами в виде конуса», — отметил младший научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ Артём Костюков.

«Мы установили, что монокристаллические частицы золота c гранецентрированной (ГЦК) структурой кристаллической решетки, имеющие, как минимум, одну острую вершину, являются наиболее устойчивыми к температурному воздействию. Было показано, что основным механизмом, ответственным за деградацию плазмонного острия в тетраэдрическом TERS зонде, является миграция атомов из вершины на соседние боковые грани, что на начальном этапе (1-5 нс) характеризуется постепенным увеличением радиуса кривизны острой кромки», — сообщил инженер-исследователь Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ Даниил Хренников.

По словам ведущего научного сотрудника Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ, профессора Сергея Карпова, в ходе исследования была получена информация об эволюции формы наночастицы во времени в процессе деградации острых кромок и выхода на стационарный режим. Такая деградация сопровождается 25-кратным уменьшением напряженности локального электромагнитного поля вблизи его вершин за первые 5 нс воздействия.

«Мы планируем детально изучить нанофокусировку локального электромагнитного поля на субволновом масштабе в различных плазмонных структурах с острыми кромками (плазмонные иглы и светоконцентраторы) с учетом их размера, формы и химического состава для их использования в светоконцентрирующих устройствах с размерами «рабочих элементов» порядка 5-15 нм. Это задачи, которые ранее в принципе не решались на атомистическом уровне в подобных системах. В конечном счете, будет предложена конструкция устойчивого к деградации плазмонного светоконцентрирующего элемента, выполняющего функцию плазмонной иглы с радиусом кривизны светоконцентрирующих кромок от 5 нм, превосходящего по своим параметрам существующие аналоги», — рассказал ведущий научный сотрудник и директор Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ Сергей Полютов.

Данные, опубликованные в статье, получены в рамках реализации проекта РНФ 24-12-00195 «Исследование субволновой локализации световых полей в плазмонных наноструктурах для создания перспективных светоконцентраторов». Проект посвящён разработке многомасштабных методов дизайна и прогнозирования новых наноматериалов за пределами текущего уровня теоретического описания и использование этих новых методов в конкретных актуальных приложениях. Ожидается, что полученные в рамках проекта фундаментальные знания и результаты потенциально могут быть востребованы в таких прикладных направлениях как зондово-усиленное рамановское (комбинационное) рассеяние (TERS, nano-Raman), метод поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (SERS), фотовольтаика (раздел науки, изучающий процесс возникновения электрического тока в различных материалах под действием падающего на них света), наносенсорика, атомно-силовая и туннельная микроскопия.

«С практической точки зрения результаты, полученные в ходе исследования, окажут заметное воздействие на систему здравоохранении в области диагностических методов (сенсорика, биовизуализация), на индустрию наносистем, а также на производство принципиально нового научного экспериментального оборудования с улучшенными характеристиками», — резюмировал Сергей Полютов.