Изготовление и функционализация кремниевых микро- и наноструктур с регулируемой аффинностью к аналиту для применения в спектроскопии поверхностно усиленного комбинационного рассеяния

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 проекта 18-79-10091

НазваниеИзготовление и функционализация кремниевых микро- и наноструктур с регулируемой аффинностью к аналиту для применения в спектроскопии поверхностно усиленного комбинационного рассеяния

Руководитель Мироненко Александр Юрьевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук , Приморский край

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «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 09 - Инженерные науки; 09-711 - Методы наноструктурирования (нанолитография и сопутствующие процессы)

Ключевые слова диэлектрические резонансные наноструктуры, кремниевые наноантенны, спектроскопия комбинационного рассеяния, лазерные методы фабрикации, селективные хемосенсоры

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время большое внимание уделяется диэлектрическим резонансным микро- и наноструктурам из материалов с высоким показателем преломления, как перспективной платформе для использования в ряде аналитических приложений спектроскопии поверхностно усиленного комбинационного рассеяния. Основными преимуществами таких структур являются высокая химическая инертность, воспроизводимость характеристик, возможность перестройки оптического отклика, многократного использования, а также широчайшие возможности функционализации поверхности путем ковалентной пришивки селективных рецепторов, способных обеспечить молекулярное распознавание «хозяин-гость» при использовании комплементарных пар рецептор-аналит. Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в последние годы в области изучения и использования резонансных диэлектрических наноструктур, трансфер исследовательских технологий в практическую плоскость сдерживается рядом нерешенных проблем. В частности, практически отсутствуют экономически обоснованные технологии фабрикации и тиражирования нанотекстурированных поверхностей, состоящих из плотноупакованных резонансных диэлектрических структур, т.к. хорошо отработанные в настоящее время высокоточные методы ионно- или электронно-лучевой литографии не обеспечивают должную скорость и стоимость изготовления, оставаясь технологиями для научных применений. Кроме того, учитывая сложный характер нанотопографии поверхности резонансных структур, в настоящее время не существует удобных и воспроизводимых протоколов их функционализации различными молекулами. В рамках данного междисциплинарного проекта предполагается разработка эффективной и экономически обоснованной технологии изготовления нового типа функционализированных поверхностей с контролируемыми оптическими и сорбционными свойствами, состоящих из плотноупакованных оптических резонансных наноструктур на основе кристаллического кремния, для применения в качестве неинвазивных сенсорных, в том числе биосенсорных, платформ нового поколения. Для разработки такой гибкой оптимизированной технологии авторами проекта будут опробованы несколько передовых оптических подходов, включающих высокоточную лазерную абляцию тонких пленок аморфного кремния «структурированными» лазерными пучками типа оптический вихрь, абляционную генерацию кристаллических кремниевых частиц в растворах с их последующим осаждением на различные подложки, запись лазерно-индуцированных субволновых самоорганизованных решеток на поверхности кристаллического кремния, прямой лазерно-индуцированный перенос расплавленных субмикронных кремниевых наночастиц при высокоточной абляции подложки-донора. Альтернативно будут опробованы высокоэффективные неоптические методы создания кремниевых резонансных структур, в частности, реактивное химическое травление, в том числе, через упорядоченные маски самоорганизованного монослоя микросфер, а также температурный деветтинг тонких пленок. Таким образом, серия экспериментальных исследований позволит выявить, отработать и оптимизировать наиболее эффективные подходы к фабрикации массивов кремниевых резонансных наноструктур. Следует отметить, что, хотя кремний является наиболее распространенным и хорошо изученным материалом для дизайна оптических диэлектрических наноантенн, в частности, благодаря высокому значению показателя преломления и низким потерям в видимом оптическом диапазоне, его потенциал в задачах реализации эффективных хемосенсоров на эффектах поверхностно-усиленной люминесценции и поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния остается практически неизученным. Кроме того, наличие в собственном спектре комбинационного рассеяния кристаллического кремния характеристической линии, спектральное положение которой зависит от температуры, позволяет реализовать неинвазивную сенсорную платформу, обеспечивающую высокоточные измерения с контролем температуры. Вместе с тем, разнообразие химии поверхности кремния потенциально открывает перспективы создания функционализированных резонансных наноструктур, способных селективно связывать и концентрировать в поверхностном слое интересующий аналит. В качестве конкретных приложений, в данном проекте планируется разработка методов детектирования катионов тяжелых металлов (Hg, Pb, Cu, Cd, Co, Fe) на подложках, функционализированных селективными метал-хелатирующими группами, в том числе, производными красителей дибензопиранового ряда, претерпевающими таутомерные превращения при связывании катионов, что обеспечит модуляцию сенсорного отклика. Также, будут получены подложки, модифицированные циклодекстринами и исследована возможность их применения для регистрации ароматических, в том числе, нитро- и аминоароматических соединений. Реализация неинвазивной сенсорной платформы, с настраиваемой аффинностью к аналиту и обеспечивающей температурную обратную связь в процессе измерений, на основе функционализированных поверхностей кремниевых нанорезонаторов является уникальной даже для мировой практики задачей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Мицай Е., Оуасса М., Хассаион Л., Стоженко Д., Мироненко А., Братская С., Йодказис С., Макаров С., Кучмижак А. Si1−xGex nanoantennas with tailored Raman response and light-to-heat conversion for advanced sensing applications. Nanoscale (год публикации - 2019)
10.1039/C9NR01837A

2. Мироненко А.Ю., Тутов М.В., Сергеев А.А., Мицай Е.В., Устинов А.Ю., Жижченко А.Ю., Линклатер Д.П., Братская С.Ю., Йодказис С., Кучмижак А.А. Ultra-trace nitroaromatic vapours detection via surface enhanced fluorescence on carbazole terminated black silicon The Journal of Physical Chemistry Letters (год публикации - 2019)

3. А.Ю. Мироненко, М.В. Тутов, А.А. Сергеев, Е.В. Мицай, А.Ю. Устинов, А.Ю. Жижченко, Д.П. Линклатер, С.Ю. Братская, С. Йодказис, А.А. Кучмижак Ultratrace Nitroaromatic Vapor Detection via Surface-Enhanced Fluorescence on Carbazole-Terminated Black Silicon ACS Sensors, 4(11), 2879-2884 (год публикации - 2019)
10.1021/acssensors.9b01063

4. Достовалов А., Бронников К., Крольков В., Бабин С., Мицай Е., Мироненко А., Тутов М, Жанг Д., Сугиока К., Максимовис Д., Каткус Т., Йодказис С., Жищенко А, Кучмижак А. Hierarchical anti-reflective laser-induced periodic surface structures (LIPSS) on amorphous Si films for sensing applications Nanoscale (год публикации - 2020)

5. Мироненко А., Тутов М., Чепак А., Мицай Е., Сергеев А., Гурбатов С., Кучмижак А. One-step Fabrication and Functionalization of Nanostructured Silicon Surfaces for Advanced Sensing Applications Solid State Phenomena (год публикации - 2020)

6. Мицай Е., Достовалов А., Бронников К., Непомнящий А., Жищенко А.,Кучмижак А. Crystallization of optically thick amorphous silicon films by near-IR femtosecond laser processing Solid State Phenomena (год публикации - 2020)

7. Бородаенко Ю, Гурбатов С., Тутов М., Жищенко А., Кулинич С., Кучмижак А., Мироненко А. Direct Femtosecond Laser Fabrication of Chemically Functionalized Ultra-Black Textures on Silicon for Sensing Applications Nanomaterials, 11(2), 401 (год публикации - 2021)
10.3390/nano11020401

8. Сюбаев С., Мицай Е., Стариков С., Кучмижак А. Laser-printed hemispherical silicon Mie resonators Optics Letters (год публикации - 2021)
10.1364/OL.425809

Публикации