Плазмон-поляритонна резонансна платформа для сенсорів/біосенсорів на основі високорегулярних лазерно-індукованих поверхневих періодичних структур у вигляді дифракційної ґратки на поверхні напівпровідника

Реферат: Плазмон-поляритонна резонансна платформа для сенсорів/біосенсорів на основі високорегулярних періодичних структур у вигляді дифракційної ґратки на поверхні напівпровідника, у якій, на поверхні напівпровідника з потенційним бар'єром (гетероперехід, рn/n-р перехід, бар'єр Шотткі, МДН (метал-діелектрик-напівпровідник) променем лазера з надшвидким скануванням cформовано високорегулярні лазерно-індуковані поверхневі періодичні структури (ЛІППС), на гребенях яких зберігається потенційний бар'єр, де синтезується/наноситься шар плазмон-чутливого металу у вигляді наночастинок певного розміру і форми або плівки. UA 119251 U (12) UA 119251 U UA 119251 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області розробки твердотільних сенсорних матриць, принцип дії яких базується на збудженні поверхневих плазмон-поляритонних хвиль (ПППХ), які дуже чутливі до змін у приповерхневому шарі сенсорного елемента і можуть бути зареєстровані високоточними методами спектроскопії та використані при виготовленні різноманітного типу сенсорів/біосенсорів для моніторингу якості продуктів харчової, фармацевтичної промисловості, стану навколишнього середовища, у медичній діагностиці, а також пристроїв у мікро- та оптоелектроніці, фотоніці та фотовольтації. Фізика роботи плазмон-поляритонної резонансної платформи для сенсорів/біосенсорів полягає у збудженні ПППХ, локальних поверхневих плазмонних збуджень на межі поділу двох середовищ, одне з яких обов'язково є поверхнево-активним, тобто має від'ємну діелектричну проникність у деякому діапазоні частот [1, 2], зазвичай це такі метали як срібло і золото. Необхідною умовою збудження ПППХ є виконання закону збереження імпульсу, що задовольняється наявністю періодично-профільованої поверхні - дифракційної ґратки (ДҐ) напівпровідникової підкладки, на яку нанесено шар плазмон-несучого металу (Ag, Аu), поверхня якого повторює її профіль. При збудженні ПППХ, напруженість електромагнітного поля резонансно підсилюється на границі поділу та швидко загасає в обидва боки від неї, частково проникаючи у фотоактивну область напівпровідника (область потенційного бар'єру), генеруючи там електронно-діркові пари, що розділяються в електричному полі бар'єра і, таким чином, створюють фотострум. Умови розповсюдження ПППХ визначаються оптичними властивостями контактуючих шарів та є чутливими до їх незначних змін. Таким чином, явище резонансного збудження ПППХ є потужним інструментом сенсорики, що широко використовується в оптохімічних сенсорах та поляритонних фотодетекторах [3-5]. Відомий поляризаційно-чутливий плазмон-поляритонний фотодетектор на основі бар'єра Шотткі [6], принцип дії якого базується на резонансному збудженні ПППХ, перетворенні енергії падаючого світла в енергію ПППХ, що локалізується на границі поділу метал/повітря, проникає в область просторового заряду напівпровідника (НП) і викликає генерацію фотоструму. Періодично-профільований рельєф - ДҐ - на межі поділу метал/повітря виконано у вигляді багатошарової структури, що складається із плоскої напівпровідникової (GaAs) підкладки та металевої дифракційної ґратки, сформованої нанодротами халькогенідного НП та плівкою золота, що має антикорельований рельєф, де профілі інтерфейсів метал/НП та метал/повітря мають різну форму, а її товщина є періодичною функцією планарної координати з періодом, що дорівнює періоду дифракційної ґратки. Для визначення парів етанолу у газових сумішах на сенсорну поверхню фотодетектора методом Ленгмюра-Блоджетт при кімнатній температурі нанесено селективно-чутливу плівку резорцинолкаліксарену [4]. Зміни товщини і показника заломлення плівки, які визначаються кількістю абсорбованих на поверхні і в об'ємі молекул етанолу, реєструються вимірюванням інтенсивності фотоструму у робочій точці на половині схилу резонансного піка. До переваг даного пристрою можна віднести об'єднання в одному елементі як збудження ПППХ, так і реєстрацію вихідного електричного сигналу, до недоліків - використання інтерференційної літографії, хімічного травлення та вакуумного напилення. Відомий біодатчик [7] для визначення немодифікованих ДНК створено на скляній платформі з періодичною ґраткою із золота, яка виготовлена шляхом виконання послідовних операцій, таких як нанесення на поверхню скла фоторезисту, опромінення його через маску світлом, напилення шару хрому (h~1 нм), потім золота (h~45 нм), витримки упродовж 3-х діб в ацетоні, подальшої ультразвукової обробки у суміші ацетону та метанолу, промивки у високоомній воді, висушування в атмосфері азоту та модифікації поверхні решітки золота меркаптоундециламіном. Для підвищення чутливості датчика на поверхню створеної ґратки нанесено модифіковані сферичні НЧ золота діаметром ~13 нм, адсорбційний шар яких зв'язує немодифіковані ДНК із розчину. Принцип роботи датчика базується на збудженні та реєстрації ПППХ та ППР. До переваг даного пристрою можна віднести застосування сферичних НЧ золота для підвищення чутливості сенсора, до недоліків - використання фотолітографії та вакуумного напилення. Найбільш близьким аналогом по технічній суті до запропонованої корисної моделі, є платформа поляризаційно-чутливого плазмон-поляритонного фотодетектора для визначення у газових сумішах домішок етанолу [8]. Ця платформа виготовлена у вигляді періодичнопрофільованої напівпровідникової (GaAs) структури з напиленою металевою (Аu) плівкою, що утворює бар'єр Шотткі (Аu/НП). Дія детектора базується на основі поверхневого плазмонного резонансу (ППР). При падінні на робочу поверхню фотодетектора р-поляризованого світла (ТМхвиля) з довжиною хвилі λ та кутом падіння θ, у плівці золота збуджуються поверхневі 1 UA 119251 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 плазмонні поляритони, електромагнітне поле яких проникає крізь шар металу у НП і генерує електронно-діркові пари, які, розділяючись електричним полем бар'єра Шотткі, викликають фотострум, що реєструється на виході. На кривій залежності фотоструму від кута падіння променя світла спостерігається резонансний максимум, який пов'язаний із ППР, що виникає на межі поділу плівка-метал, і його положення чітко визначається товщиною і показником заломлення селективно-чутливої плівки, нанесеної на поверхню золота. Зміну цих параметрів при потраплянні молекул аналіту на поверхню плівки фіксує фотодетектор. До переваг представленого у найближчому аналозі пристрою можна віднести виготовлення чутливого елемента плазмон-поляритонного фотодетектора у вигляді мікропрофільованої межі поділу метал/НП типу ДҐ та застосування як напівпровідникової матриці прямозонного НП GaAs із більшим коефіцієнтом поглинання, ніж у кремнію, що підвищує ефективність перетворення ПППХ у фотострум. До недоліків описаного приладу можна віднести застосування складного і тривалого у часі фотоіндукованого інтерференційного хімічного травлення НП для виготовлення ДҐ на його поверхні та високовакуумного обладнання для напилення суцільної плівки плазмон-несучого металу на мікропрофільовану поверхню НП. Анізотропне травлення збільшує шорсткість поверхні, що призводить до згасання ПППХ і погіршення резонансу. Окрім того на формування ДҐ певної глибини, що визначає інтенсивність ПППХ, має вплив легування НП, його кристалографічна орієнтація, температура травників, що ускладнює відтворюваність процесу. Таким чином, аналіз методів створення існуючих плазмон-поляритонних резонансних матриць на основі дифракційних ґраток на напівпровідникових підкладках з потенційним бар'єром для сенсорних пристроїв показав необхідність застосування фотохімічного травлення або фотолітографічних методів для виготовлення періодичних профільованих структур на поверхні НП, використання вакуумної техніки для напилення плазмон-несучого матеріалу, що вимагає значних енергетичних і часових затрат на їх одержання та погіршує конкурентоспроможність сенсора, створеного на такій основі. В основу корисної моделі поставлено задачу, що полягає у створенні високочутливої плазмон-поляритонної резонансної платформи для сенсорів/біосенсорів на основі високорегулярних періодичних структур на поверхні НП, сформованих надшвидким скануванням променя лазера, і цілком або по гребенях, вкритих шаром плазмон-активного металу. Виготовлення такої платформи не потребує фотохімічного травлення поверхні НП, застосування інтерференційної літографії, напилення у вакуумній камері (при нанесенні плазмон-несучого матеріалу на гребні) і дозволяє при невеликих матеріальних, енергетичних, часових затратах обробляти великі площі поверхні НП, та при простоті конструкції і малих габаритах об'єднати в одному елементі як збудження ПППХ, так і реєстрацію вихідного сигналу. Поставлена задача вирішується тим, що плазмон-поляритонна резонансна платформа для сенсорів/біосенсорів на основі високорегулярних періодичних структур у вигляді дифракційної ґратки на поверхні напівпровідника, згідно з корисною моделлю, на поверхні напівпровідника з потенційним бар'єром (гетероперехід, р-n/n-р перехід, бар'єр Шотткі, МДН (метал-діелектрикнапівпровідник) променем лазера з надшвидким скануванням зформовано високорегулярні лазерно-індуковані поверхневі періодичні структури (ЛІППС), на гребнях яких зберігається потенційний бар'єр, де синтезується/наноситься шар плазмон-активного металу у вигляді наночастинок (НЧ) певного розміру і форми або плівки. Чутливий елемент плазмон-поляритонної резонансної платформи для сенсорів/біосенсорів, що запропоновано, є фотоприймачем на основі багатошарової структури, яка складається з НП із потенційним бар'єром (гетероперехід, р-n/n-р перехід, бар'єр Шотткі, МДН (метал-діелектрикнапівпровідник) з мікропрофільованою поверхнею типу ДҐ (Фіг. 1), на яку нанесено плазмоннесучий шар металу у вигляді наночастинок (Au, Ag) або суцільної плівки (Au, Ag). При опроміненні приладу світлом p-поляризації (ТМ- хвиля) із довжиною хвилі λ та кутом падіння θ, що забезпечують виконання закону збереження імпульсу, на межі поділу метал/повітря збуджуються ПППХ. Їх електромагнітне поле, експоненційно спадаючи, розповсюджується крізь товщу металу і досягає області просторового заряду потенційного бар'єра НП, де генерує електронно-діркові пари, що розділяються електричним полем потенційного бар'єру, і викликає фотострум. На кутовій та спектральній залежності фотоструму спостерігається резонансний максимум (Фіг. 2), пов'язаний із збудженням ПППХ на межі поділу метал/повітря. При фіксованій довжині хвилі (або куті падіння світла), кутове (або спектральне) положення резонансу фотоструму чітко визначається станом металевої поверхні і її приповерхневим оточенням, чим досягається висока чутливість фотоструму до будь-яких їх змін. Таким чином, робота приладу полягає у знаходженні кута (довжини хвилі), при якому збуджується ПППХ і досягається 2 UA 119251 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 максимум фотоструму. Шляхом нанесення селективно-чутливої плівки на активну поверхню платформи може бути створений сенсор для конкретного типу речовини, що визначається. Слід зазначити, що плазмон-несучий шар металу (Au, Ag), виготовлений із НЧ, має більшу поверхню контакту метал/аналіт у порівнянні із поверхнею суцільної металевої плівки, що збільшує вплив поверхні на ПППХ, а значить підвищує чутливість сенсора, створеного на базі платформи, що пропонується. Методику вимірів можна організувати і іншим, спрощеним способом, зафіксувавши робочу точку на половині схилу піка фотоструму. Тоді невелика зміна в куті падіння, довжині хвилі, поляризації світла або зміна в оптичних параметрах оточуючого метал середовища приведе до великої зміни фотоструму. Така зміна буде тим більшою, чим вище і гостріше пік ПППХ резонансу, що характеризується параметром поляризаційної чутливості (Ip/Is) - відношенням фотоструму, збудженого світлом p-поляризації до фотоструму в s-поляризації (ТЕ- хвиля). Фіг. 1 - демонструє схематичне зображення перерізу чутливого елемента плазмонполяритонної резонансної платформи для сенсорів/біосенсорів у вигляді дифракційної ґратки: а) вихідна пластина НП зі сформованим потенційним бар'єром, б) пластина НП із потенційним бар'єром та сформованими ЛІППС, в) готова плазмон-поляритонна резонансна платформа; де + + 1 - р(n) база; 2 - р (n ) область НП в залежності від типу провідності; 3-n(р) емітер НП; 4 - омічна контактна металева (Аl, V-Cu-Ni) плівка; 5 - плазмон-несуча суцільна плівка або з НЧ (Au, Ag). На Фіг. 2а - наведено спектральну залежність фотоструму при нормальному падінні світла р(крива 1) та s- (крива 2) поляризації від платформи з нанесеною суцільною плазмон-несучою плівкою золота товщиною 45 нм. Фіг. 2б - демонструє кутову залежність фотоструму на довжині хвилі 633 нм р-(крива 1) та s(крива 2) поляризованого світла від платформи з нанесеною суцільною плівкою Au товщиною 45 нм. Формування високорегулярних ЛІППС, на гребнях яких зберігається потенційний бар'єр, забезпечується використанням фемтосекундного лазера з довжиною хвилі λ=1030 нм з оптимально підібраними параметрами: тривалість імпульсу - 50-300 фс, частота повторювання 2 300-2000 кГц, щільність лазерної енергії (флюенс) - 1-2 Дж/см , швидкість сканування 500-5000 мм/с. Висока продуктивність процесу сканування забезпечується поєднанням гальваносканера і 3-и координатного рухомого столу, що поступально рухається відносно гальваносканера. Для утворення ЛІПСС з високою регулярністю періодичних структур була виготовлена наступна експериментальна установка (Фіг. 3). Система складається з надшвидкої лазерної системи 6 з тривалістю імпульсу