21.12.2021
ФизТех
514

В МФТИ нашли способ улучшить работу сверхчувствительных сенсоров

4.5

Слоистые структуры из металлов и диэлектриков используются для выявления веществ в низких концентрациях вплоть до отдельных молекул. Ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ сравнили чувствительность тонких золотых пленок на разных слоистых структурах к модельной молекуле для поиска оптимальной основы сенсоров. Обнаруженные эффекты могут улучшить работу сверхчувствительных сенсоров, способных различать отдельные молекулы.

В МФТИ нашли способ улучшить работу сверхчувствительных сенсоров / ©Getty images

Работа опубликована в журнале Nanomaterials. Гигантское комбинационное рассеяние (ГКР), или в английском варианте surface-enhanced Raman scattering (SERS), позволяет обнаруживать химические соединения в чрезвычайно низких концентрациях вплоть до отдельных молекул. В методе ГКР используются сильные электромагнитные поля, полученные за счет поверхностного плазмонного резонанса (коллективных колебаний электронного газа). Положение резонанса может быть «настроено» с помощью различных параметров наноструктур (таких как геометрия и/или состав, а также размер и форма отдельных наночастиц).

Один из самых простых и дешевых методов изготовления подложек больших площадей (что важно для массового производства) основан на использовании ультратонких металлических пленок вблизи порога перколяции. Для пленок в подобных структурах существует пороговое значение толщины, при котором в них возможно движение электронов — порог перколяции. Наиболее значительно сигнал от исследуемого вещества усиливается именно вблизи порога перколяции, в так называемых «горячих точках», которые образуются в межчастичных / кластерных пространствах когда расстояние между ними составляет около 1–3 нм.

Несмотря на простоту и относительную дешевизну, используемые сегодня структуры такого типа обладают относительно низким коэффициентом усиления. Однако есть возможность повысить эффективность таких конструкций — это использование гибридных структур, то есть включающих несколько типов материалов. Одним из примеров таких структур являются гофрированные металлические наноповерхности, отделенные тонким диэлектрическим слоем от металлической подложки.

Рисунок 1. Структуры, исследованные в эксперименте: a — слой ультратонкого золота на стекле, b — структура золото/SiO2/золото, c — структура золото/SiO2/графен/золото. Молекулы детектируются верхним слоем золота / ©Nanomaterials.

Авторы экспериментально исследовали чувствительность трех разных структур к модельной молекуле. На рисунке 1 схематически изображены исследованные образцы. Один из них представлял собой слой золота на стекле, второй — слоистую структуру золото/SiO2/золото на подложке из кремния, а третий — золото/SiO2/графен/золото на подложке из кремния. Толщина верхнего слоя золота, который и контактировал с детектируемой молекулой, выбиралась близкой к порогу перколяции.

Оказалось, что структуры типа золото/SiO2/золото позволяют получить сигнал от молекулы в 7 раз сильнее, чем часто используемый слой золота на подложке из стекла. При наличии графена между золотом и SiO2 чувствительность образца к модельной молекуле в шесть раз выше, чем у золота на стекле. Также графен оказался способен снижать флуоресцентный фон примерно на 40 процентов, что может быть крайне полезно для практических применений. Для подтверждения выводов авторы провели моделирование, результаты которого хорошо совпали с полученными экспериментальными данными.

«Наши слоистые структуры могут быть применимы в качестве сенсоров для рамановской спектроскопии. В рассматриваемых структурах общее усиление поля происходит благодаря комбинации нескольких механизмов. Один из них связан с возбуждением локализованных поверхностных плазмонов в кластерах золота, расположенных наиболее близко друг к другу. Другой связан с возбуждением щелевых плазмонов в тонком диэлектрическом слое между нижним и верхним слоями золота. Благодаря такой комбинации можно значительно увеличить чувствительность сенсора, то есть различать еще более низкие концентрации веществ.

Однако при усилении рамановского сигнала усиливается и флуоресцентный фон. Использование графена в эксперименте позволило подавлять этот фон в среднем на 40 процентов. Это значит, что слоистые структуры в комбинации с графеном можно использовать в уже существующих сенсорах для улучшения их сенсорных свойств», — дополняет Сергей Новиков, старший научный сотрудник лаборатории двумерных материалов и наноустройств Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Российского научного фонда. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 11:11
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали вес мышей мышей, а утренние – приводили к уменьшению уровня глюкозы. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

8 часов назад
Илья Ведмеденко

В конце 2021 года российским ВКС передали два новых Су-57. О поставке первого серийного истребителя пятого поколения сообщили в 2020-м.

Вчера, 18:45
Александра Медведева

Снимки телескопа Hubble показали, что черная дыра в центре карликовой галактики Henize 2-10 создает звезды вместо того, чтобы их разрушать. Открытие может стать ключом к пониманию происхождения сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной.

Вчера, 11:11
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали вес мышей мышей, а утренние – приводили к уменьшению уровня глюкозы. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

17 января
Сергей Васильев

Новые измерения свойств минерала из глубоких слоев мантии показали, что ядро планеты теряет тепло в полтора раза активнее, чем полагали до сих пор.

17 января
Илья Ведмеденко

Перспективный российский многоцелевой самолет «Байкал» оторвался от земли. Первый полноценный полет машина должна выполнить до конца января.

26.12.2021
Александр Березин

Российская тяжелая ракета имеет все шансы взлететь после Starship, хотя ее начали создавать на 20 лет раньше, да и по параметрам она радикально уступает детищу Илона Маска. Попробуем разобраться, почему любая попытка создать классическую ракету в наши дни — пустая трата времени и средств. А заодно дать ответ на вопрос, какую космическую ракету на самом деле стоит создавать России.

12 января
Алиса Гаджиева

Дополнительное исследование вулканических пород формации Кибиш в Эфиопии изменило датировку найденных там костей Homo sapiens.

Вчера, 11:11
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали вес мышей мышей, а утренние – приводили к уменьшению уровня глюкозы. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: