Спосіб виготовлення робочого елемента перетворювача з призмовим типом збудження поверхневого плазмонного резонансу

Реферат: Спосіб виготовлення робочого елемента перетворювача з призмовим типом збудження поверхневого плазмонного резонансу включає нанесення на скляну пластину нанорозмірної плівки золота методом термічного випаровування у вакуумі. Робочий елемент додатково відпалюють при температурі 120±10 °C протягом 40±10 хвилин. UA 112568 U (54) СПОСІБ ВИГОТОВЛЕННЯ РОБОЧОГО ЕЛЕМЕНТА ПЕРЕТВОРЮВАЧА З ПРИЗМОВИМ ТИПОМ ЗБУДЖЕННЯ ПОВЕРХНЕВОГО ПЛАЗМОННОГО РЕЗОНАНСУ UA 112568 U UA 112568 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області розробки оптоелектронних твердотільних сенсорних пристроїв на основі збудження поверхневого плазмонного резонансу (ППР) у плівці металу, які використовують для молекулярного дослідження властивостей газових, рідких та твердих середовищ. Такі прилади можуть знайти застосування у медицині і сільському господарстві, фармацевтичній і харчовій промисловості, для контролю якості питної води та екологічного моніторингу навколишнього середовища, а також у науково-дослідній діяльності широкого спектра. Відомі сенсорні пристрої, дія яких базується на використанні фізичного явища ППР в тонких плівках металу при їх опроміненні поляризованим світлом (пат. України № 46018, Ширшов Ю.М. та ін. Спосіб детектування та визначення концентрації біомолекул та молекулярних комплексів та пристрій для його здійснення. МПК G01N 21/55. заявл. 22.10.1997, опубл. 15.05.2002. - Бюл. №5). При певних умовах опромінення (відповідних кутах падіння світла, довжинах хвиль і рполяризації) спостерігається зміна інтенсивності відбитого від плівки металу світла, звідки можна зробити висновки про властивості як самої плівки, так і речовини, що нанесена на її поверхню для аналізу. На сьогодні методика ППР є найбільш розвинута оптична сенсорна технологія, що широко використовується для детектування хімічних та біологічних речовин (Shankaran D.R., Gobi K.V., Miura N. Recent advancement in surface plasmon resonance immunosensors for detection of small molecules of biomedical, food and environmental interest // Sensors and Actuators B. - 2007. - 121(1). - P. 158-177.), але прилади ППР мають такі недоліки, як обмежена чутливість, продуктивність та висока вартість (Zhang J., Zhang L., Xu W. Surface plasmon polaritons: physics and applications // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2012. 45(11). - P. 113001.). Поверхневі плазмонні поляритони (ППП) являють собою електромагнітні хвилі ТМ-типу, що локалізовані на межі поділу двох середовищ, одне з яких обов'язково є поверхнево-активним, тобто має від'ємну діелектричну проникність в деякому діапазоні частот (Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под редакцией: В.М. Аграновича, Д.Л. Миллса. - Москва: Наука, 1985. - 525с). У випадку плоского інтерфейсу хвилевий вектор ППП більший за проекцію хвильового вектора збуджуючої електромагнітної хвилі на межу поділу двох середовищ, тому для збудження ППП необхідно забезпечити умову фазового синхронізму (закон збереження імпульсу в системі). До найбільш поширених способів забезпечення фазового синхронізму відносять метод ослабленого повного відбивання (ОПВ) із застосуванням призми та метод дифракційної ґратки (ДГ). При збудженні ППП, напруженість електромагнітного поля резонансно підсилюється на границі поділу та швидко загасає в обидва боки від неї. Умови розповсюдження ППП визначаються оптичними властивостями контактуючих шарів металу і аналіту, та є чутливими до їх незначних змін. Тобто чутливість і стабільність роботи приладів на основі ППР буде в значній мірі залежати від властивостей плівки металу. Відомий біосенсор PCT(WO) 92/05426, Biological sensors, April 2 1992, G01N 21/55, що працює на основі поверхневого плазмонного резонансу. Світло в біосенсорі здійснює повне внутрішнє відбивання від внутрішньої поверхні скляної призми, на якій сформовано робочий елемент сенсора у вигляді шару срібла. Для реєстрації зміни показника заломлення досліджуваної речовини, що нанесено на шар срібла, знімають резонансну криву ППР залежність інтенсивності відбито світла від кута падіння. Крива ППР при використанні плівки срібла як носія плазмонних коливань характеризується найменшою у порівнянні з іншими металами півшириною (Ag>Au>Cu>Al), що дозволяє з високою точністю визначати положення мінімуму резонансної кривої математичними методами. Але на срібло істотно впливає зовнішнє середовище, тому такий робочий елемент ППР зберігає свої властивості нетривалий час. До недоліків використання плівки срібла треба віднести погану хімічну інертність та нестабільність робочої поверхні перетворювача. Найбільш близьким до запропонованого перетворювача є детектор поверхневого плазмонного резонансу Великобританія (GB) 2197068 (8725502), Optical sensor device, October 30 1987, G01N 33/543, що включає призму повного внутрішнього відбивання та робочий елемент у вигляді скляної пластини з нанесеною на нею плівкою золота. Товщина плівки вибирається за критеріями фізичних умов збудження поверхневих плазмінів у плівках металу. Робоча поверхня перетворювача ППР з використанням плівки золота має тенденцію до більшої стабільності та меншої схильності до хімічного впливу. Недоліком відомого детектора є відносно велика півширина резонансної кривої ППР, що зменшує точність визначення мінімуму шляхом математичної обробки. Таким чином, аналіз приведених перетворювачів поверхневого плазмонного резонансу показує, що робочі елементи відомих оптичних пристроїв не забезпечують одночасно 1 UA 112568 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 необхідної чутливості, точності і стабільності для молекулярного дослідження властивостей газових, рідких та твердих середовищ. В основу корисної моделі поставлена задача збільшення точності та стабільності роботи перетворювача поверхневого плазмонного резонансу шляхом згладжування дрібномасштабного рельєфу поверхні золотої плівки, зменшення розсіювання плазмонів і, як наслідок, досягнення покращення параметрів резонансної кривої. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб виготовлення робочого елемента перетворювача з призмовим типом збудження поверхневого плазмонного резонансу, що включає нанесення на скляну пластину нанорозмірної плівки золота методом термічного випаровування у вакуумі, який відрізняється тим, що робочий елемент додатково відпалюють при температурі 120±10 °C протягом 40±10 хвилин. Рельєф поверхні є найбільш сильним фактором, який спотворює картину поглинання енергії світла внаслідок наявності сильного електричного поля саме на поверхні золотої плівки. Тому поверхнева шорсткість металу істотно впливає на поширення хвилі поверхневих плазмонів, приводячи в результаті розсіювання до її загасання і зменшення фазової швидкості (Braundmeier A. J., Arakawa Е. Т. Effect of surface roughness on surface plasmon resonance adsorption // Journal Physics Chemistry Solids. - 1974. - Vol. 35. - P. 517-520). При цьому змінюється форма дисперсійної кривої і відбувається зсув резонансної частоти, а саме: позиція резонансного кута змішується до більших величин при фіксованій довжині хвилі падаючого світла, півширина провалу в спектрі відбиття та величина мінімального відбиття збільшуються з ростом шорсткості. Нами запропоновано як механізм впливу на структуру і оптичні властивості металевих плівок застосувати температурний відпал. Тому що для термовакуумних плівок, кристалізація яких відбувається при кімнатній температурі скляної підкладки в умовах значного переохолодження і перенасичення запропонований нами температурний відпал є стабілізуючим чинником. При такій термічній обробці зменшується концентрація дефектів кристалічної решітки, структура плівок переходить у більш стійкий термодинамічний стан, якому відповідають більш стабільні оптичні властивості, що призводить до вирішення задачі збільшення точності та стабільності роботи перетворювача поверхневого плазмонного резонансу. Приклад. Робочі елементи оптичного перетворювача використовували у приладі "Плазмон", який розроблений та виготовлений в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. Прилад дозволяє проводити вимірювання кривої ППР як в газовому, так і в рідкому середовищах. За допомогою приладу були виміряні криві ППР на робочих елементах без відпалу та з використання запропонованого нами низькотемературного відпалу. На кресленні наведено резонансні криві ППР (повітря) для нанорозмірних плівок золота з оптимальною товщиною, що нанесені на скляну пластину методом термічного випаровування у вакуумі при температурі підкладки (ТП) 20 °C з наступним температурним відпалом (Т в) на повітрі в діапазоні температур 80-250 °C. У цілому резонансні криві схожі між собою. Зокрема, процедура відпалу приводить до стрибкоподібної зміни Rmin з мінімальним значенням при температурі 120±10 °C і квазіпостійному значенню 9Ппр із переходом до наростання при температурах вище 150 °C. Зміни інтенсивності відбиття в області повного внутрішнього відбивання й при більших кутах характеризуються немонотонною залежністю, досягаючи максимального значення при 120±10 °C. Хід перерахованих вище залежностей визначається особливостями поверхневої структури плівок золота та залежить від співвідношення оптичних констант металу n м і kм. Отже, мінімальні значення Rmin, а також максимальне відбиття на плечах резонансної кривої ППР, характерні для зразків відпалених при 120±10 °C, забезпечують найкращі експлуатаційні характеристики оптичного перетворювача ППР та забезпечують збільшення точності вимірювання зсуву кута мінімуму (ППР) ППР кривої. Показником стабільної роботи оптичного перетворювача є дослідження зміни значення резонансного кута (ППР) з плином часу. Температурний відпал металевих плівок приводить до формування структури з термодинамічно більш стійким станом, якому відповідають і більш стабільні оптичні властивості. Дослідження кінетики зміни значення ППР протягом 100 днів при кімнатних умовах у повітряному середовищі для плівок золота, відпалених в діапазоні температур 80-250 °C показали, що відпал при температурі 120=10 °C є найкращим. Робочі елементи, що наведені в прикладі, були вибрані на основі аналізу топографічних особливостей поверхні полікристалічних плівок золота. Для температури відпалу 120±10 °C характерне згладжування дрібномасштабного рельєфу поверхні золотої плівки, зменшення розсіювання плазмонів і, як наслідок, досягнення покращення параметрів резонансної кривої. 2 UA 112568 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Спосіб виготовлення робочого елемента перетворювача з призмовим типом збудження поверхневого плазмонного резонансу, що включає нанесення на скляну пластину нанорозмірної плівки золота методом термічного випаровування у вакуумі, який відрізняється тим, що робочий елемент додатково відпалюють при температурі 120±10 °C протягом 40±10 хвилин. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3