Магнитные и плазмонные композиционные наноструктуры для реализации оптических фильтров в системах контроля и диагностики веществ и материалов

Введение. Пористый кремний (ПК) и материалы на его основе представляют интерес для применения в наноэлектронике, таргетированной доставке препаратов и перспективных детекторах газов. Разработки в области создания наноструктур на базе ПК актуальны для реализации фильтров в системах волоконно-оптической связи, поскольку современные интерференционные фильтры характеризуются наличием побочных полос в рабочем диапазоне и требуют поддержания высокого вакуума при нанесении покрытий нанометровой толщины.
Цель работы. Разработка прототипов полосно-заграждающего фильтра оптического диапазона на основе композиционных магнитных наночастиц и эффекта локализованного поверхностного плазмонного резонанса (ЛППР) в массиве наночастиц серебра на поверхности ПК.
Материалы и методы. Разработка и получение наноструктур для создания прототипов фильтров. Применение метода двойного дифференцирования совместно с теорией поглощения Ми для анализа характеристик затухания прототипов.
Результаты. Разработаны 2 прототипа; анализ характеристики затухания прототипа на основе функционализированной магнитными наночастицами Fe_mO_n матрицы SiO₂ позволяет связать параметры обнаруженных полос поглощения с размером наночастиц Fe_mO_n. Характеристика затухания прототипа на основе ЛППР в массиве наночастиц Ag на поверхности пористого кремния содержит две полосы поглощения. Значение средней длины волны в полосе, обусловленной ЛППР в массиве наночастиц серебра, близких по форме к сферическим, составляет 367.5 нм. Возбуждение ЛППР в квантовых кластерах серебра, сопровождающееся появлением соответствующей полосы, происходит на длине волны 265.5 нм. Изменение параметров синтеза ПК матрицы позволяет управлять подавлением в каждой из обнаруженных полос.
Заключение. Несмотря на недостатки, в том числе сравнительно низкую точность задания средней длины волны, а также трудоемкость уменьшения неравномерности в полосе поглощения, полученные прототипы превосходят существующие аналоги и являются перспективными для решения задач разработки компактных систем анализа и диагностики в широком энергетическом диапазоне.

1. Porous Silicon as a Nanomaterial for Disperse Transport Systems of Targeted Drug Delivery to the Inner Ear / Yu. M. Spivak, A. O. Belorus, A. A. Panevin, S. G. Zhuravskii, V. A. Moshnikov, K. Bespalova, P. A. Somov, Yu. M. Zhukov, A. S. Komolov, L. V. Chistyakova, N. Yu. Grigor’eva // Technical Physics. 2018. Vol. 63. P. 1352–1360. doi: 10.1134/S1063784218090207

2. The Multisensor Array Based on Grown-On-Chip Zinc Oxide Nanorod Network for Selective Discrimination of Alcohol Vapors at Sub-ppm Range / A. Bobkov, A. Varezhnikov, I. Plugin, F. S. Fedorov, V. Trouillet, U. Geckle, M. Sommer, V. Goffman, V. Moshnikov, V. Sysoev // Sensors. 2019. Vol. 19, № 19. P. 1–13. doi: 10.3390/s19194265

3. Bobkov A. A., Nalimova S. S., Moshnikov V. A. Fractal structure and electrical properties of percolation sensor layers // Smart Nanocomposites. 2016. Vol. 6, iss. 2. P. 264-265.

4. Porous silicon as efficient surface enhanced Raman scattering (SERS) substrate / F. Giorgis, E. Descrovi, A. Chiodoni, E. Froner, M. Scarpa, A. Venturello, F. Geobaldo // Applied Surface Science. 2008. Vol. 254. P. 74947497. doi: 10.1016/j.apsusc.2008.06.029

5. Лапшин Б. А. Оптические гетероструктуры. Новая теория и расчет. СПб.: БХВ-Петербург, 2012. 480 с.

6. Chmilenko F., Rastvorova I. Improvement of quality of aluminum ingots at electromagnetic processing // J. Phys. Conf. Ser. 2018. Vol. 1118. P. 1–5. doi: 10.1088/1742-6596/1118/1/012030

7. Denisova O., Rastvorova I. Carbon Materials for Immobilization of Biologically Active Substances // Engineering Materials. 2020. Vol. 836. P. 52–57. doi: 10.4028/www.scientific.net/kem.836.52

8. Micromechanics, Nanophysics And Non-Destructive Testing Of The Strength Of Structural Materials / V. Nosov, I. Chaplin, E. Gilyazetdinov, E. Grigoriev, I. Pavlenko // Mater. Phys. Mech. 2019. Vol. 42. P. 808–824. doi: 10.18720/MPM.4262019_13

9. Shpenst V. A. Investigation of the State Of Materials of Power Lines by Multispectral Optical-Electronic Devices // Iop Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 2019. Vol. 378. P. 1–5. doi. 10.1088/1755-1315/378/1/012072

10. Shpenst V. A. Complexation of Telecommunications and Electrical Systems in Mines and Underground Facilities // J. Min. Inst. 2019. Vol. 235. P. 78–87. doi: 10/31897/PMI.2019.1.78

11. Multilevel Model of Time Dependences of Acoustic Emission Parameters as The Basis for Nanodiagnostics of The State of Technical Objects / V. V. Nosov, A. P. Artyushchenko, S. A. Peretyatko, E. D. Khokhlova // J. Phys. Conf. Ser. 2020. Vol. 1582. P. 1–6. doi: 10.1088/1742-6596/1582/1/012067

12. Fabrication of oxide heterostructures for promising solar cells of a new generation / A. A. Bobkov, N. A. Lashkova, A. I. Maximov, V. A. Moshnikov, S. S. Nalimova // Semiconductors. 2017. Vol. 51, iss. 1. P. 61–65. doi: 10.1134/S1063782617010031

13. Nano-size effects in graphite/graphene structure exposed to cesium vapor / A. S. Mustafaev, V. I. Yarygin, V. S. Soukhomlinov, A. B. Tsyganov, I. D. Kaganovich // J. of Applied Physics. 2018. Vol. 124, iss. 12. P. 1–10. doi: 10.1063/1.5037028

14. Rhombic silver nanoparticles array-based plasmonic filter / Y. Q. Fu, S. L. Zhu, X. L. Zhou, W. Zhao // Intern. J. of Modern Physics B. 2011. Vol. 25. P. 2557–2566. doi: 10.1142/S0217979211101168

15. A tunable optical filter / J. Philip, T. Jaykumar, P. Kalyanasundaram, B. Raj // Measurement Science and Technology. 2003. Vol. 14, iss. 8. P 1289–1294. doi: 10.1088/0957-0233/14/8/314

16. Tunable magneto-optical wavelength filter of long-period fiber grating with magnetic fluids / T. Liu, X. Chen, Z. Di, J. Zhang, X. Li, J. Chen // Applied Physics Lett. 2007. Vol. 91, iss. 12. P. 1–3. doi: 10.1063/1.2787970

17. Gareev K. G., Nepomnyashchaya E. K. Obtaining and Characterizing a Water-Based Magnetic Fluid // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2019. Vol. 83, iss. 7. P. 904-905. doi. 10.3103/S1062873819070177

18. Spectroscopic Properties of γ-irradiated Fem On SiO 2 Composite Nanoparticles / R. S. Smerdov, T. V. Bocharova, V. S. Levitskii, E. I. Terukov, K. G. Gareev, V. A. Moshnikov // Physics of the Solid State. 2016. Vol. 58, iss. 5. P. 919-923. doi: 10.1134/S1063783416050243

19. UV-Vis Band-Stop Filter Based on Plasmon Resonance for Fluorescent Microscopic Applications / R. Smerdov, V. Loboda, Y. Spivak, V. Moshnikov // St Petersburg State Polytechnical University J. Computer Science. Telecommunications and Control Systems. 2016. Vol. 247, iss. 3. P. 13–22. doi: 10.5862/jcstcs.247.2

20. Unno H., Imai K., Muramoto S. Dissolution Reaction Effect on Porous-Silicon Density // J. of the Electrochemical Society. 1987. Vol. 243, iss. 24. P. 358–362.

21. Levy P. The Kinetics of Gamma-Ray Induced Coloring of Glass // J. of the American Ceramic Society. 2006. Vol. 43, № 8. P. 389–395. doi: 10.1111/j.1151-2916.1960.tb13680.x

22. Kreibig U. Small Silver Particles in Photosensitive Glass: Their Nucleation and Growth // Appl. Phys. 1976. Vol. 10, № 3. P. 255–264.

23. Gareev K. G., Luchinin V. V., Moshnikov V. A. Magnetic Nanomaterials Obtained by Chemical Methods // Biotechnosfera. 2013. № 5 (29). P. 2–13.

24. Nepomnyashchaya E., Aksenov E., Velichko E. Molecular Dynamics as Studied by Laser Correlation Spectroscopy // Proc. of 38 th Progress in Electromagnetics Research Symp., St Petersburg, SPbGU, St Petersburg, 2017. P. 3556–3562. doi: 10.1109/PIERS.2017.8262375

25. Mayergoyz I. D. Plasmon Resonances in Nanoparticles. Singapore: World Scientific Publishing Co Pte. Ltd., 2013. Vol. 6. 325 p.

26. Bernard S., Kutter J. P., Mogensen K. B. Plasmon enhanced silver quantum cluster fluorescence for biochemical applications // TechConnect Briefs. 2014. Vol. 2. P. 443–446.

27. Rabilloud F. Description of plasmon-like band in silver clusters: The importance of the long-range HartreeFock exchange in time-dependent density-functional theory simulations // The J. of Chemical Physics. 2014. Vol. 141, iss. 14. P. 1–9. doi: 10.1063/1.4897260

28. Weissker H., Lopez-Lozano X. Surface plasmons in quantum-sized noble-metal clusters: TDDFT quantum calculations and the classical picture of charge oscillations // Phys. Chemistry Chem. Phys. 2015. Vol. 17, iss. 42. P. 28379–28386. doi: 10.1039/C5CP01177A

29. Mori T., Hegmann T. Determining the composition of gold nanoparticles: a compilation of shapes, sizes, and calculations using geometric considerations // J. of Nanoparticle Research. 2016. Vol. 18, iss. 10. P. 1–36. doi: 10.1007/s11051-016-3587-7

30. The characterisation of nanostructured porous silicon/silver layers via Raman spectroscopy / R. S. Smerdov, Y. M. Spivak (Kanageeva) , V. S. Levitsky, V. A. Moshnikov // J. of Physics Conf. Series. 2018. Vol. 1038. P. 1–4. doi: 10.1088/1742-6596/1038/1/012064

31. Optically tunable plasmonic color filters / Y. J. Liu, G. Y. Si, E. S. P. Leong, B. Wang, A. J. Danner, X. C. Yuan, J. H. Teng // Applied Physics A. 2012. Vol . 107, iss. 1. P. 49–54. doi: 10.1007/s00339-011-6736-y