Ученые по всему миру изучают наноструктуры и предлагают новые решения для повышения эффективности промышленного производства и микроэлектроники. Подложки на основе кремния используются в качестве универсальных материалов при изготовлении различных резонансных наноструктур на поверхности, которые могут быть основной для создания коммерчески доступных оптических датчиков, накопителей энергии, светоизлучающих и оптоэлектронных устройств. Например, такие «ультрачерные» поверхности, как аморфный кремний с нанесенными наночастицами благородных металлов, помогают улавливать широкополосное излучение (например, солнечного света) и могут быть использованы в солнечной энергетике.
Один из способов обработки подобных материалов — лазерное излучение ультракороткой длительности и высокой интенсивности. Таким образом можно локально воздействовать на поверхность, создавая на ней определенные последовательные (периодические) структуры, которые затем могут применяться в качестве сенсорных платформ для детектирования различных веществ в организме человека и в промышленности. С помощью таких оптических датчиков могут быть зафиксированы крайне низкие концентрации веществ (аналитов), например наномоли катионов ртути в воде, что значительно ниже предельно допустимой концентрации, то есть очень маленькая величина.
Ученые СПбГУ впервые показали возможность одновременного структурирования поверхности с помощью лазера и наночастиц.
Мы продемонстрировали возможность одновременного структурирования поверхности с помощью лазерного излучения (создание периодических структур), а также допирования — равномерного покрытия наночастицами благородных металлов, таких как серебро, платина и палладий. — Младший научный сотрудник кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения Евгения Хайруллина
Для этого ученые использовали соли и комплексы благородных металлов, вместе с хорошо изученным эффектом LIPSS (laser induced periodic surface structure — лазерно индуцированная периодическая структура поверхности) — это процесс формирования периодических субмикронных структур размерами менее одного микрометра (их называют субмикронными структурами) на поверхности при определенных режимах лазерного воздействия на различные материалы.
Как отметили ученые СПбГУ, работа по использованию лазерного излучения для формирования структурированных поверхностей с равномерно распределенными наночастицами серебра и золота была начата ранее нашим коллективом из России, Германии и Испании и опубликована в одном из высокорейтинговых журналов в этой области — Advanced Optical Materials. Новое исследование химиков Санкт Петербургского университета стало закономерным продолжением этих исследований. Так, предложенный химиками СПбГУ подход позволил создать уникальные сенсорные платформы на основе LIPSS с равномерно распределенными наночастицами благородных металлов. Ключевое отличие данной работы — то, что химикам СПбГУ удалось разработать одностадийный процесс, то есть нанесение наночастиц и воздействие лазером происходит одновременно, а не по очереди, как это было показано ранее другими научными коллективами.
«Кратко процесс проходит так: подложка из кремния облучается фемтосекундным лазерным излучением. В этом случае длина одного импульса, порции излучения, составляет несколько фемтосекунд. Для сравнения, например, атом в молекуле совершает одно колебание за время от 10 до 100 фемтосекунд. Облучение таким лазером происходит через раствор, содержащий соединения благородных металлов (серебра, платины, палладия). На последнем этапе такие гибридные наноструктурированные платформы тестируются в качестве индикатора реакции димеризации, а эффективность этого процесса отслеживается in situ — спектрально с помощью метода поверхностно усиленной рамановской спектроскопии, который широко применяется в химии», — объяснила младший научный сотрудник кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения Евгения Хайруллина.
Работа была выполнена в рамках проекта РНФ 18 79 10091 (Изготовление и функционализация кремниевых микро и наноструктур с регулируемой аффинностью к аналиту для применения в спектроскопии поверхностно усиленного комбинационного рассеяния).
Источник: https://spbu.ru/