Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Проект направлен на разработку и исследование многофункциональных метаповерхностей на основе гибридных наноструктур из двумерных материалов (графен, двумерные дихалькогениды переходных металлов) и металлов (золото, серебро, медь), перспективных для использования в компактных биоинтерфейсах и нейроинтерфейсах. В первую очередь рассматриваются структуры на основе графена, как наиболее доступные с точки зрения современных технологий, однако интерес представляют и другие двумерные материалы. Ключевым преимуществом метаповрехностей на основе гибридных графено-металлических наноструктур является возможность управлять светом на субволновых масштабах, что уже активно используется в биодетектировании: наиболее чувствительные и коммерчески доступные биосенсоры для анализа кинетики химических реакций основаны на эффекте поверхностного плазмонного резонанса. Миниатюризация данных устройств возможна с применением технологий изготовления наноструктур, используемых в микро- и наноэлектронике. В частности, данные технологии позволили создать структуры на основе тонких металлических пленок с отверстиями различной формы и размером (до 100 нм) значительно меньше длины волны видимого и ближнего инфракрасного излучения. В рамках первого этапа выполнения проекта теоретически и экспериментально исследованы периодические гибридные графено-металлические структуры с наноразмерными щелями и отверстиями, детально исследованы их резонансные оптические свойства. Анализ спектров пропускания гибридных наноструктур на основе двумерных материалов выполнен с использованием спектрофотометрии. Определены условия резонансного пропускания таких гибридных наноструктур и влияние на них различных адгезионных слоев. В рамках этой задачи отработаны технологии изготовления многослойных тонкопленочных структур с графеном и другими двумерными материалами, обеспечивающие осаждение металлов с относительно низкими оптическими потерями, отработаны технологии изготовления наноструктурированных поверхностей на основе многослойных гибридных графено-металлических наноструктур, разработаны алгоритмы анализа оптических свойств каждой составляющей таких наноструктур с помощью спектральной эллипсометрии. Кроме того, решение данной задачи потребовало разработки протоколов переноса, очистки и контроля качества двумерных материалов, используемых для создания гибридных структур. Проведено детальное исследование оптических свойств тонких и ультратонких металлических пленок и метаповерхностей на основе гибридных наноструктур из двумерных материалов с использованием методов спектральной эллипсометрии и спектрофотометрии. Получены действительная и мнимые части эффективной диэлектрической проницаемости тонких металлических пленок в диапазоне длин волн от 300 до 3300 нм. Оптические константы могут быть использованы для расчета и моделирования фотонных и оптоэлектронных устройств на основе таких ультратонких металлических пленок. Определено влияние адгезионных слоев на оптические свойства ультратонких металлических пленок. Продемонстрирована возможность создания ультратонких (толщиной менее 10 нм) и ультрагладких (шероховатость менее 0,3 нм) металлических пленок, оптические свойства которых удовлетворительно описываются моделью Друде-Лоренца. Дополнительно для характеризации всех образцов проводились измерения электрической проводимости четырехзондовым методом. Полученные на первом этапе проекта результаты позволят перейти к практической реализации оптически эффективных гибридных метаповерхностей, включающих двумерные материалы, ультратонкие металлические пленки (с поверхностным удельным сопротивлением 10 Ом/кв на толщинах менее 10 нм) и наноструктуры на их основе, которые могут быть интегрированы с различными биологическими объектами и обеспечивать их непрерывный мониторинг по ряду физико-химических и биологических параметров. Большая часть полученных результатов доложена и обсуждена на тематических научных семинарах и международных конференциях (например, International Conference on Metamaterials and Nanophotonics, 17 - 21 September 2018, Sochi, Russia; 61-й Всероссийской научной конференции МФТИ, 19 - 25 ноября 2018, Долгопрудный, Россия; Photonic, Optoelectronic and Electronic Materials Conference (SPb-POEM), 24 - 27 April 2019, Saint-Petersburg, Russia и 8th International Conference on Spectroscopic Ellipsometry, May 26 - 31, 2019, Barcelona, Spain). Результаты опубликованы в журналах, индексируемых Web of Science и Scopus (Advanced Materials Interfaces (4.834, Q1) и Journal of Physics: Conference Series (приняты в печать две статьи)). Подробнее с результатами исследований можно ознакомиться на сайте: https://mipt.ru/en/science/labs/nano/

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проект направлен на разработку и исследование многофункциональных метаповерхностей на основе гибридных наноструктур из двумерных материалов (графен, двумерные дихалькогениды переходных металлов) и металлов (золото, серебро, медь), перспективных для использования в компактных биоинтерфейсах и нейроинтерфейсах. В настоящее время наиболее перспективными для практических применений гибридными наноструктурами на основе двумерных материалов являются графен-металлические наноструктуры. Это обусловлено развитыми методами химического синтеза однослойного графена, позволяющими получать материал заданной площади, соответствующей размерам практических любых электронных устройств. Осаждение тонких пленок плазмонных металлов, таких как золото, медь и серебро с толщинами от 5 нм позволяет получать гибридные графен-металлические структуры, которые характеризуют уникальные оптические свойства видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Одним из перспективных применений таких структур является биодетектирование, основанное на спектроскопии гигантского (поверхностно-усиленного) комбинационного рассеяния (ГКР). В рамках второго этапа выполнения проекта в качестве одной из задач теоретически и экспериментально исследованы гибридные графено-металлические структуры на основе однослойного графена и ультратонких металлических нанопленок, а также их применения в качестве подложек для ГКР. Отработаны технологии изготовления данных структур с использование графена, полученного химических осаждением из газовой фазы, и осаждения металла при помощи метода электронно-лучевого испарения. Проведено детальное исследование оптических и структурных свойств полученных образцов при помощи ряда методов микроскопии и спектроскопии. Отдельное внимание уделено сравнению качества графена, полученного как с использованием химического синтеза, так и при помощи механической эксфолиации с точки зрения их потенциального использования в биодетектировании. Кроме этого в рамках данного проекта предложена и исследована перспективная схема устройства инфракрасной спектроскопии на основе гибридной графено-металлической структуры, состоящей из однослойного графена отделенного от металла слоем диэлектрика толщиной несколько нанометров. В ходе выполнения проекта были получены оптические свойства двумерного и объемного дисульфида молибдена в ультрашироком спектральном диапазоне, начиная с ультрафиолета (290 нм) и заканчивая средним инфракрасным диапазоном (3300 нм) при помощи спектроскопической эллипсометрии. В ходе анализа данных были использовали свойства экситонного отклика материалов, которые позволили сделать ряд фундаментальных выводов и возможных применений данного материала. В частности, был получен вклад отдельных экситонов и обнаружены новые экситонные отклики, который до сих пор не были представлены в литературе. Большая часть полученных результатов доложена и обсуждена на тематических научных семинарах и международных конференциях (например, International Conference on Metamaterials and Nanophotonics, 15 - 19 July 2019. St. Petersburg, Russia; 62-й Всероссийской научной конференции МФТИ, 18 - 23 ноября 2019, Долгопрудный, Россия; 2D MATERIALS 2019 - International Congress on Graphene, 2D Materials and Applications 30 September - 04 October 2019, Sochi Olympic Park, Sochi, Russia). Результаты опубликованы в журналах, индексируемых Web of Science и Scopus (Nanomaterials (4.034, Q1), Nanophotonics (8.60, Q1) и AIP Conference Proceedings (принята в печать одна статья)). Подробнее с результатами исследований можно ознакомиться на сайте: https://mipt.ru/en/science/labs/nano/

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект направлен на разработку и исследование многофункциональных метаповерхностей на основе гибридных наноструктур из двумерных материалов (графен, двумерные дихалькогениды переходных металлов) и металлов (золото, серебро, медь), перспективных для использования в компактных биоинтерфейсах и нейроинтерфейсах. В настоящее время наиболее перспективными для практических применений гибридными наноструктурами на основе двумерных материалов являются графен-металлические наноструктуры. Это обусловлено развитыми методами химического синтеза однослойного графена, позволяющими получать материал заданной площади, соответствующей размерам практических любых электронных устройств. Осаждение тонких пленок плазмонных металлов, таких как золото, медь и серебро с толщинами от 5 нм позволяет получать гибридные графен-металлические структуры, которые характеризуют уникальные оптические свойства видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Одним из перспективных применений таких структур является биодетектирование, основанное на спектроскопии гигантского (поверхностно-усиленного) комбинационного рассеяния (ГКР). В рамках третьего этапа выполнения проекта отработана технология создания гибридных графено-металлических наноструктур совместимая с современными полупроводниковыми технологиями создания интегральных микросхем. Созданы плазмонные наноструктуры на основе меди на поверхности графена с использованием установки электронно-лучевого осаждения в высоком вакууме. Отработана технология осаждения медных наноструктур на дихалькогениды переходных металлов. Отработана технология защиты медных наноструктур от поверхностного окисления - посредством осаждения ультратонких слоев золота и диэлектриков (Al2O3) в одном цикле в системе электронно-лучевого осаждения в высоком вакууме, а также методом УФ-озонирования. Разработан протокол анализа малых концентраций растворов низкомолекулярных химических объектов с использованием эффекта ГКР, реализованного на созданных гибридных метаповерхностях золотые (медные) наночастицы / графен или MoS2. Продемонстрирована эффективность разработанных ГКР подложек для обнаружения низкомолекулярных химических объектов (Родамин 6G (R6G), Кристаллический фиолетовый (CV)) на уровне 1 нмоль/л. Разработан протокол безмаркерного биосенсорного анализа биохимических взаимодействий с участием белковых молекул (молекулы стрептавидина) и низкомолекулярных соединений (последовательность олигонуклеотидов 8322) с использованием графен-металлических наноструктур. Предел детектирования составил 1 нмоль/литр. Разработан протокол анализа биомолекул (в качестве тестового аналита использовался бычий сывороточный альбумин (БСА) в диапазоне концентрации от 5 нмоль/л до 50 мкмоль/л) с использованием эффекта ГКР, реализованного на разработанных в рамках проекта гибридных метаповерхностях золотые (медные) наночастицы / графен или MoS2. Разработаны новые ГКР-подложки для анализа малых концентраций растворов низкомолекулярных химических объектов. ГКР-подложки представляют собой метаповерхности в виде перколированных металлических пленок с резонансным усилением на подложках диэлектрик/металл (nano-Au/графен/SiO2/Au). Максимум ГКР-сигнала получен для пленок золота с толщиной вблизи порога перколяции для обоих типов подложек и составил 5.4E5 для подложки графен/SiO2/Au и 9E6 для подложки SiO2/Au, соответственно. Таким образом, для новых гибридных подложек типа nano-Au/графен/SiO2/Au продемонстрировано в 9 раз большее усиление ГКР сигнала, чем для ранее исследованных подложек типа nano-Au/графен/SiO2. Разработаны подходы к безмасковой нанолитографии на основе наноструктурированного с помощью сфокусированного ионного пучка графена на подложках h-BN/SiO2/Si. Осажденные на поверхность таких графеновых наноструктур металлические кластеры сформировали массивы горячих точек, которые обеспечивают увеличение интенсивности ГКР-сигнала примерно в 6-7 раз по сравнению со случайно нанесенными металлическими наночастицами без использования наноструктурированного графена. Большая часть полученных на третьем этапе результатов доложена и обсуждена на тематических научных семинарах и международных конференциях (V International Conference on Metamaterials and Nanophotonics (METANANO 2020), 14 - 18 September, 2020, ONLINE; 63-й Всероссийской научной конференции МФТИ, 23 - 29 ноября 2020 г., Долгопрудный, Россия; Nanophotonics of 2D Materials, N2D 2020, 13-16 July, 2020, Donostia-San Sebastián (Spain) - ONLINE). Результаты опубликованы в журналах, индексируемых Web of Science и Scopus (npj 2D Materials and Applications (9.324, Q1), Nanomaterials (4.324, Q1), Plasmonics (2.335, Q2), Applied Sciences (2.474, Q2, принята в печать) и ряде конференционных сборников. Подробнее с результатами исследований можно ознакомиться на сайте: https://mipt.ru/en/science/labs/nano/