КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-72-10035
НазваниеУправление оптическими свойствами резонансных металл-диэлектрических наноструктур через проектирование ближнепольного взаимодействия
РуководительСунь Яли , Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры
Ключевые словалокализация электрического поля, линейные свойства, нелинейные свойства, металл-диэлектрическая наноструктура, мультипольное разложение, комбинационное рассеяние света, структура ядро-оболочка, димер
Код ГРНТИ29.31.01
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Технологии оптики ближнего поля начали бурно развиваться в середине 1980-х годов, что связано с преодолением дифракционного предела оптической микроскопией высокого разрешения. В последние десятилетия исследования оптического ближнего поля переключаются на возбуждение нераспространяющегося поля при взаимодействии света с веществом в субволновом масштабе. Это явление широко наблюдается с плазмонными наноструктурами, которые могут сильно локализовать электрическое поле, вблизи наноструктур. Однако диэлектрические наночастицы могут демонстрировать магнитный резонанс внутри частицы и, таким образом, ограничивать электромагнитное излучение как внутри, так и вблизи наночастиц. В настоящее время эксперименты доказывают, что металл-диэлектрические наноструктуры обладают возможностью одновременно получить высокую локализацию электрического и магнитного полей в гибридных металл-диэлектрических наноструктурах, что дает большую свободу для разработки оптоэлектронных устройств нового поколения.
Однако конфигурации металл-диэлектрических наноструктур очень ограничены существующими методами изготовления (литография, электронно-лучевая запись, лазерная абляция, химическая реакция). Кроме того, ближнепольные конфигурации металл-диэлектрических наноструктур трудно зарегистрировать в обычной экспериментальной лаборатории из-за того, что поле сильно локализовано на границе раздела металл-диэлектрик. Помимо этого, металл-диэлектрические наноструктуры сложной конфигурации затрудняют анализ вклада каждого компонента. Таким образом, анализ усиленных ближнепольных оптических свойств в металл-диэлектрических наноструктурах остается актуальной проблемой.
В ходе решения этой научной задачи данный проект предполагает развитие усиленных ближнепольных оптических свойств, проявляемых в металл-диэлектрических наноструктурах. Учитывая широкую применимость метода исследования и результатов в этом проекте, будут также изучены металл-диэлектрические наноструктуры, изготовленные методами литографии и химических реакций. Более того, усиление ближнего поля в металл-диэлектрических наноструктурах будет прямо и косвенно исследоваться в теории и эксперименте. Помимо этого, будет применяться мультипольное разложение для выявления взаимодействия между металлическими и диэлектрическими наноструктурами и сравнения их оптического отклика с отдельными наночастицами. Методы, которые будут разработаны в рамках проекта, предполагают исследование таких оптических свойств ближнего поля в металл-диэлектрических наноструктурах, как: (i) коэффициент усиления электрического поля, (ii) генерация второй гармоники, (iii) сигнал комбинационного рассеяния, усиленный поверхностью. Разработанные металл-диэлектрические наноструктуры и методы будут являться оригинальными и не имеют аналогов в мире.
Ожидаемые результаты
В настоящее время в мире развиваются два популярных метода регистрации усиления ближнего поля в наноструктурах: (1) сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ), (2) атомно-силовая микроскопия (АСМ). Более сложные методы, такие как фотоэмиссионная электронная микроскопия (ФЭМ), сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) и фотонная сканирующая туннельная микроскопия (ФСТМ), применяются только в нескольких исследовательских институтах. Для методов СБОМ и АСМ изображения ближнего поля записываются с верхней части наноструктуры и имеют определенное разрешение, приписываемое зонду обнаружения.
Металл-диэлектрические наноструктуры демонстрируют сильную локализацию ближнего поля на границе раздела металл-диэлектрик, не находящейся на верхней поверхности наноструктур, таким образом, косвенное представление электрических полей будет характеризоваться численным моделированием и экспериментальным усилением нелинейных эффектов. С другой стороны, поскольку сигнал комбинационного рассеяния пропорционален квадрату усиления электрического поля, сигнал комбинационного рассеяния можно идентифицировать как показатель локализации электрического поля.
Впервые будут рассмотрены усиленные ближнеполные оптические свойства металл-диэлектрических наноструктур. В частности, будет получен ряд важных научных результатов по перспективным и активно развивающимся на мировом уровне направлениям нанофотоники:
(i) Димер металл-диэлектрик, полученный методом литографии. Мультипольное разложение будет проведено для изучения перекрытия фундаментальных мод и, таким образом, для разработки металл-диэлектрической наноструктуры с сильной локализацией электрического поля. Будет проведено численное моделирование для представления локализации электрического поля на границе металл-диэлектрик. Также будут проведены оптические измерения, чтобы продемонстрировать усиленные ближнепольные оптические свойства металл-диэлектрического димера.
(ii) Плазмонные наночастицы, покрывающие поверхность диэлектрических наночастиц, представляющие собой наноструктуры ядро-оболочка, будут получены в результате химической реакции. Резонансные металлические наночастицы индуцируют сильную локализацию электрического поля на поверхности металл-диэлектрик. Будет проведено численное моделирование, чтобы продемонстрировать усиление электрического поля, а металл-диэлектрические наноструктуры, связанные с родамином, экспериментально продемонстрируют усиление сигнала комбинационного рассеяния на поверхности данных структур.
(iii) Резонансные плазмонные и диэлектрические наночастицы, смешанные в растворе и самоорганизующиеся в виде тримеров, цепочек на кремниевой подложке. Усиление электрического поля можно прогнозировать численно и настраивать посредством различных конфигураций. Мультипольное разложение будет применяться для анализа вариаций мод среди различных металл-диэлектрических наноструктур и оптимизации конструкции для усиления ближнего поля. Свойства рассеяния будут измеряться для подтверждения соответствия результатам анализа мультипольного разложения.
Научная значимость данного проекта заключается в том, что в отличие от уже существующих подходов, непрямая регистрация ближнего поля будет производиться посредством усиления ближнепольных оптических свойств металл-диэлектрических наноструктур. Все разработанные подходы являются оригинальными и не имеют аналогов.
Социальная значимость результатов заключается в том, что впервые будут созданы и протестированы наносистемы на основе наноструктур металл-диэлектрик с усиленными ближнепольными оптическими свойствами. С помощью фундаментального анализа будет численно рассчитано и экспериментально исследовано линейное, нелинейное и комбинационное поведение разработанных наносистем. Результаты проекта будут иметь высокий потенциал для практического использования в экономике и социальной сфере. Например, преобразование частоты падающего излучения в металл-диэлектрических наноструктурах в наномасштабе будет разработано в ходе реализации этого проекта и впоследствии может быть использовано для создания высокоэффективных преобразователей частоты на чипах, которые могут найти широкое применение в электронных устройствах. Кроме того, методы усиленного поверхностью комбинационного рассеяния света также могут применяться для создания чувствительных молекулярных детекторов, в частности, для диагностики заболеваний на ранней стадии, особенно в некоторых развивающихся странах, не имеющих достаточного количества медицинских ресурсов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Численным моделированием установлено, что в металл-диэлектрическом димере, состоящем из двух наночастиц в прямом контакте друг с другом, после реконфигурации металлической части достигается сильная локализация электрического поля (до 2 порядков) на границе между наночастицами. Показано согласование экспериментально измеренных сечений рассеяния металл-диэлектрического димера с численным моделированием, что подтверждает корректность разработанных численных моделей. Путем мультипольного разложения сечения рассеяния металл-диэлектрического димера установлено, что усиление электрического поля на длине волны генерации второй гармоники (523 нм) металл-диэлектрического димера после реконфигурации его формы обусловлено электрической дипольной и электрической квадрупольной модами. Получены результаты усиления сигнала второй гармоники, возбуждаемой фемтосекундным лазером (1047 нм, 150 фс, 80 МГц), за счет настройки распределения ближнего поля на длине волны 523 нм в области контакта металл-диэлектрик в металл-диэлектрическом димере.
Получен протокол самосборки из водных растворов для структур ядро-оболочка, состоящей из наночастиц Ag, равномерно покрывающих полистироловые наночастицы.
Показаны различные пространственные конфигурации таких структур, созданные для проектирования распределения электромагнитного поля в ближней зоне. Ожидается, что такое распределение может обеспечить усиление различных оптических свойств, например комбинационное рассеяние, усиленное поверхностью.
Разработана простая диагностическая система для прямого обнаружения патогенных бактерий в образцах воды, мочи и сыворотки с использованием оптического колориметрического биосенсора. Он состоит из цепочек полистирольных наночастиц, химически конъюгированных со специфическими антителами, которые демонстрируют отчетливые изменения цвета после захвата целевых патогенов. Используя внутренний капиллярный эффект внутри испаряющейся капли, в течение нескольких минут достигается целевое предварительное концентрирование аналита, что обеспечивает быструю идентификацию и более эффективное детектирование бактериальных патогенов. Сигналы рассеяния бактерий значительно усиливаются наномассивами благодаря сильной локализации в ближнем поле (до 10 порядков), что обеспечивает визуализируемый анализ роста, размножения и клеточной активности бактерий на уровне отдельных клеток. Наконец, в дополнение к высокой селективности, этот биосенсор на основе наномассива также обладает способностью точного количественного определения и непрерывного мониторинга бактериальной нагрузки на пищу в широком линейном диапазоне с пределом обнаружения 10 КОЕ/мл.
Разработан процесс изготовления самособирающихся гибридных наносистемы, представляющей собой наноструктуры TiO2 на тонкой пленке золота, показаны результаты исследований их оптических свойств. Вначале химически синтезируются наночастицы TiO2 в фазе анатаза со средним размером 400 нм. Такие наночастицы TiO2 затем диспергируются в воде и используются для печати на золотых подложках. Экспериментально, численно и теоретически исследованы спектры рассеяния гибридных наносистем, представляющих собой напечатанные на золотой подложке наночастицы TiO2 различного размера и с разным пространственным расположением. Полученные экспериментальные и теоретические результаты находятся в хорошем соответствии. Кроме того, печатные гибридные цепочки TiO2 демонстрируют отчетливую генерацию второй гармоники с квадратичной зависимостью (нелинейная зависимость интенсивности сигнала от интенсивности возбуждающего лазера). Данная печатная гибридная система TiO2 является перспективной для биосенсинга, фотокатализа и других приложений.
Публикации
1. З. Чжан, Я. Сун, Ю. Ян, Х. Ван, Ю. Юнь, С. Пан,З. Лиан, А. Кузьмин, Е. Понкратова, Ю. Михайлова, З. Се, С. Чен, К. Пан, Х. Се, Т. Ву, С. Чен, Дж. Чи, Ф. Лю, Д. Зуев, М. Су, Ю. Сонг Rapid Identification and Monitoring of Multiple Bacterial Infections Using Printed Nanoarrays Advanced Materials, 35, 12 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1002/adma.202211363
2. Я. Сунь, Д. Чжао, З. Чжанц, Н. Гарг, Б. Богданов, П. Сенюшкин, М. Су, Д. Зуев, С. Кумар, А. Гангули, Ю. Сонг, П. Белов Green printed hybrid optical dielectric nanostructures on a mirror Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications, 101147 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.photonics.2023.101147