Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 2, стр. 182-189

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы наблюдается стремительное развитие методов детектирования молекулярных объектов химического или биологического происхождения, основанных на эффектах SERS (surface enhanced Raman scattering – поверхностно-усиленное рамановское рассеяние). Хотя это явление и было открыто достаточно давно (в 1974 г.) [1], но глобальные достижения в разработке методов высокочувствительного детектирования следовых количеств веществ, основанных на эффекте SERS, происходят именно в последние годы. Это связано с тем, что до недавнего времени стандартное устройство для исследования неупругого рассеяния света включало мощный лазер, тройной спектрометр и охлаждаемый матричный фотоприемник. Большие размеры и высокая стоимость таких приборов затрудняли широкое применение методов рамановской спектроскопии для экспресс-анализов. Однако в сфере научного приборостроения произошли радикальные изменения, которые позволили значительно уменьшить и удешевить все компоненты рамановских установок, что обеспечило прорыв в рамановском приборостроении и повлекло развитие методов SERS-идентифицирования химических [2] и биологических веществ [3–7] в низких концентрациях.

Для обеспечения высокой чувствительности SERS-методов сегодня используется множество подходов по созданию SERS-субстратов для “фокусировки” электромагнитного поля вблизи исследуемых молекулярных структур, таких как: химический метод синтеза коллоидных металлических частиц или сложных комплексов [8–10], методы вакуумного термического [6, 11] и магнетронного распыления материалов [12–14], атомно-слоевого осаждения [15], плазменного осаждения покрытий [16, 17], физико-химические методы с использованием плазмотравления и литографии [18, 19]. В результате возможно выращивание металлических или комбинированных металл-диэлектрических наноструктур на поверхности подложек или их синтез в объеме буферного раствора. Эти наноструктуры могут быть представлены в виде наносфер, нанокубов, треугольных и шестиугольных нанопирамид, нанопроволок, частиц грибовидной формы [19–22]. Однако недостатком большинства методов по созданию SERS-субстратов является отсутствие воспроизводимых размеров, морфологии наночастиц, зазоров между ними и, как следствие, сильные отличия в положениях пиков плазмонного резонанса и оптических откликах исследуемых молекул. На практике существует несколько типов подстройки пика плазмонного резонанса под длину волны лазерного излучения – это генерация дополнительных мод в многослойных структурах [23], комбинирование диэлектрического и плазмонного резонансов [18] и нагревание металлической поверхности после напыления.

В данной работе продемонстрировано насколько эффективно работают SERS-подложки на основе оксида кремния при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 532 нм и насколько сильно изменяются латеральные размеры и толщина наночастиц, зазоры между ними и оптические свойства подложек в зависимости от номинальной толщины напыляемого слоя, вида металла и температурных режимов отжига после процессов напыления. В результате выполнения данной работы были оптимизированы SERS-подложки, в которых, учитывая эффекты входного и выходного резонансов, подстроен высокодобротный контур плазмонного поглощения под длину волны возбуждающего излучения 532 нм и, тем самым, получены гигантские коэффициенты усиления рамановского рассеяния света ~10⁸ в области максимальной чувствительности кремниевых CCD-матриц.

УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

С целью изучения влияния морфологии металлических наночастиц на оптические свойства SERS-структур были созданы наноструктурированные подложки с различными латеральными размерами, толщинами, формами и зазорами между наночастицами с помощью методов вакуумного термического напыления тонких пленок. Тонкие слои металла осаждались на кремниевую подложку, покрытую 300 нм слоем SiO₂, с использованием системы вакуумного напыления NANO 38 (Kurt J. Lesker Company, США) с автоматическим контролем толщины при давлении в камере 8 ∙ 10^–7 Торр со скоростью напыления 0.4 Å/c. Кремниевые подложки покрывали тонкими пленками серебра или золота различной толщины и затем нагревали на плитке HP-20D-Set (Daihan Scientific, Южная Корея) с максимальной температурой нагрева 380°С.

При создании SERS-структур номинальная толщина серебра варьировалась от 40 до 150 Å (40, 60, 80, 100, 120 и 150 Å). Кроме этого были изготовлены SERS-подложки с толщиной золотого слоя 80 Å и с комбинацией слоев серебра (60 Å) и золота (20 Å). В процессе напыления металлических слоев столик с образцами приводился во вращение со скоростью 20 об./мин.

После напыления образцы отжигали на плитке при различных температурных режимах:

• режим 1: нагрев при 120°С, продолжительность 6 мин;

• режим 2: нагрев при температуре 120°С, продолжительность 20 мин;

• режим 3: нагрев при 240°С, продолжительность 6 мин;

• режим 4: нагрев при температуре 240°С, продолжительность 20 мин;

• режим 5: нагрев при 360°С, продолжительность 6 мин;

• режим 6: последовательный нагрев в течение 6 мин при каждой температуре: сначала 120°С, затем 180°С, затем 240°С. Между этапами нагрева подложку охлаждали до комнатной температуры;

• режим 7: последовательный нагрев в течение 20 мин при каждой температуре: сначала 120°С, затем 180°С, затем 240°С. Между этапами нагрева подложку охлаждали до комнатной температуры;

• режим 8: последовательный нагрев в течение 6 мин при каждой температуре: сначала 120°С, затем 180°С, потом 240°С, затем 300°С, в заключение 360°С. Между этапами нагрева подложку охлаждали до комнатной температуры;

• режим 9: последовательный нагрев в течение 6 мин при каждой температуре: сначала 120°С, затем 240°С, затем 360°С. Между этапами нагрева подложку охлаждали до комнатной температуры.

• режим 10: без нагревания.

Для автоматического измерения SERS-сигнала от тестовых молекул использовался рамановский спектрометр EnSpectr SERS R532 (ООО “РамМикс”, РФ) с длиной волны лазерного возбуждения 532 нм. Спектрометр имел разрешение 8 см^–1 и спектральный диапазон 120–3400 см^–1. Мощность лазерного излучения составляла 30 мВт, диаметр пучка лазера 2 мм, что обеспечивало низкую плотность излучения, предотвращало разрушение молекул и позволяло регистрировать среднюю интенсивность на большой площади.

Для измерения спектров плазмонного поглощения SERS-подложек использовался спектрометр отражения белого света EnSpectr WL (ООО “РамМикс”, РФ).

Морфологию поверхности SERS-подложек изучали с помощью сканирующей электронной микроскопии с использованием электронного микроскопа Supra 50VP (Zeiss, Германия) со сверхвысоким разрешением 1.5 нм. Данные о морфологии наночастиц обрабатывались с помощью программного обеспечения SPIP 6.1.1 (Scanning Probe Image Processor) методом Image Metrology. Используя функцию “анализ частиц и пор”, вычислялись размеры наночастиц на изображениях с электронного микроскопа. Диаметры наночастиц вычислялись исходя из предположения, что частица определенной площади является окружностью с такой же площадью. Чтобы избежать учета ложно-определяемых наночастиц, в ручном режиме находились самые маленькие и самые большие гранулы и не учитывались кластеры, в которых невозможно идентифицировать отдельные гранулы. На основе нового сокращенного списка наночастиц была создана гистограмма распределения диаметров. Такая гистограмма была аппроксимирована функцией Гаусса.

При проведении экспериментов по изучению усиления интенсивности рамановского рассеяния при длине волны лазерного возбуждения 532 нм использовались репортерные молекулы вещества FITC (Fluorescein-5-isothiocyanate, CAS Number: 3326-32-7, Sigma, USA).

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Для изучения влияния морфологии металлических (золотых и серебряных) наночастиц на поверхности оксида кремния на оптические свойства SERS-подложек исследовались зависимости интенсивностей рамановского рассеяния света тестового вещества FITC на 475 и 1325 см^–1 (I₄₇₅ и I₁₃₂₅), а также интенсивности фотолюминесценции этого вещества в точке локального максимума кривой люминесценции (I_lum) и положения пика плазмонного резонанса (λ_рез) от средних латеральных размеров (d_нч), толщин и форм наночастиц, а также зазоров между ними.

В табл. 1 для каждого из режимов отжига подложек после напыления и для каждой толщины напыляемого металлического слоя приведены данные по оптическим свойствам подложек (интенсивностям оптических откликов тестового вещества FITC и положению пика плазмонного резонанса) и морфологии наночастиц (средние диаметры (d_нч), дисперсия диаметров (σ_нч), коэффициент заполнения поверхности металлическими наночастицами (K_{заполнения})).

Были обнаружены следующие характерные закономерности:

1. При увеличении толщины напыления серебра (при фиксированном режиме отжига подложки) увеличивается средний латеральный размер наночастиц (рис. 1, 2a), дисперсия размеров и их высота, а коэффициент заполнения практически не изменяется. При температурных воздействиях на подложку после напыления малых толщин серебра (40 Å) на ее поверхности формируются маленькие наночастицы с характерными латеральными размерами около 15 нм, высотой 7 нм и дисперсией латеральных размеров порядка 10 нм. При больших толщинах напыления серебра (150 Å) образуются крупные наночастицы, размеры которых в плоскости подложки составляют около 70 нм, высотой 36 нм при дисперсии латеральных размеров 45 нм.

Рис. 1.

СЭМ изображения (1.5 × 1 мкм²) наночастиц серебра на поверхности оксида кремния, полученные при разных толщинах напыления: (a–в) 40 Å серебра, отжиг в течение 6 мин при 120, 240 и 360°С соответственно; (г–е) 100 Å серебра, отжиг в течение 6 мин при 120, 240 и 360°С соответственно; (ж–и) 150 Å серебра, отжиг в течение 6 мин при 120, 240 и 360°С соответственно. В правых верхних углах приведены гистограммы распределения диаметров наночастиц серебра при соответствующих режимах отжига.

Рис. 2.

Зависимость среднего латерального размера наночастиц серебра (d_particles) от толщины напыленного слоя серебра при режимах отжига: 240°С в течение 6 мин; 240°С в течение 20 мин; 360°С в течение 6 мин; 120, 180, 240°С в течение 20 мин (a). Зависимость пика плазмонного поглощения SERS-подложек (λ) от толщины напыленного слоя серебра при режимах отжига: 120°С в течение 6 мин; 240°С в течение 6 мин; 360°С в течение 6 мин; 120, 180, 240°С в течение 6 мин (б). Зависимость интенсивности рамановского рассеяния света тестового вещества FITC на 475 см^–1 (I₄₇₅) от толщины напыленного слоя серебра при режимах отжига: без нагрева; 120°С в течение 6 мин; 120°С в течение 20 мин; 120, 180, 240, 300, 360°С в течение 6 мин; 120, 240, 360°С в течение 6 мин (в).

2. Подложки, не подвергающиеся термическому отжигу (при любой толщине металлического слоя), фактически представляют собой тонкую металлическую пленку без одиночных локализованных гранул, поэтому они имеют малый коэффициент усиления.

3. При увеличении толщины напыления серебра пик плазмонного поглощения SERS-подложек сдвигается в красную спектральную область с характерной “скоростью” 0.5 нм/Å (рис. 2б). Этот сдвиг вызван изменением форм наночастиц – переходом от круглых наночастиц к эллипсоидным [24].

4. Ширина контура плазмонного поглощения SERS-подложек определяется дисперсией размеров металлических наночастиц.

5. При возбуждении зеленым лазерным излучением с длиной волны 532 нм наиболее эффективно усиливающими SERS-подложками оказываются подложки с пиком плазмонного поглощения, лежащим в красной спектральной области 610–620 нм (табл. 1). Это вызвано комбинацией усилений на частоте лазерного излучения (входной резонанс) и на частоте рамановского рассеяния света (выходной резонанс).

6. При слабых режимах нагревания и при его отсутствии наблюдается локальный максимум интенсивности SERS в зависимости от толщины напыленного серебра в точке 60 Å (рис. 2в). Этот оптимум на толщине 60 Å, с одной стороны, связан с формированием однородных пленок при больших толщинах серебра в случае слабых режимов температурного отжига, при которых эффективность возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов низкая. А с другой стороны, он вызван образованием тонких гранул серебра вытянутой формы (этот факт обуславливает формирование низкодобротного контура плазмонного поглощения, сдвинутого относительно частоты лазерного излучения в “красную” спектральную область) при малых напыляемых толщинах в случае слабых режимов температурного отжига.

7. При сильных режимах нагревания зафиксирована растущая зависимость интенсивности SERS от толщины напыленного серебра (рис. 2в). При этом при увеличении толщины напыления увеличиваются латеральные размеры наночастиц и их высота, а коэффициент заполнения поверхности металлом практически не изменяется. Таким образом, если сравнивать подложки с тонкими слоями напыления и толстыми (при больших дозах температурного отжига), то в первом случае наблюдается большое количество маленьких серебряных наночастиц с маленькими зазорами, а во втором – малое количество крупных серебряных наночастиц с большими зазорами. Факт того, что коэффициент усиления для подложек второго типа значительно выше, свидетельствует о дальнодействующем механизме усиления SERS. Это подтверждается данными литературы [25].

8. Наибольший коэффициент усиления интенсивности рамановского рассеяния (~10⁸) имели SERS-подложки с толщиной напыления серебра 150 Å при следующих режимах отжига: а – 240°С, 6 мин; б – 240°С, 20 мин; в – 120 + 180 + + 240 + 300 + 360°С, 6 мин; г – 120 + 240 + 360°С, 6 мин.

9. Золотые и серебряно-золотые подложки не показали значительного усиления сигнала оптического отклика от тестовых молекул FITC, т. к. в оптическом частотном диапазоне в золоте наблюдается рост мнимой части диэлектрической проницаемости из-за возникновения межзонных переходов [26]. Это является одной из причин затухания поверхностных плазмон-поляритонов.

Таким образом, была продемонстрирована возможность управления оптическими свойствами SERS-подложек за счет изменения морфологии металлических наночастиц при разных режимах температурного отжига подложек после напыления различных толщин металла на поверхность диэлектрической основы SiO₂. Это чрезвычайно важно для создания недорогих и воспроизводимых SERS-сенсоров, эффективно работающих на различных длинах волн лазерного возбуждения. Если говорить о коммерческих воспроизводимых SERS-субстратах, то в первую очередь стоит упомянуть твердотельные периодические SERS-подложки, полученные с использованием процессов литографии [18], которые имеют минимальный неконтролируемый разброс параметров линейных размеров структурных элементов и зазоров между этими элементами и, тем самым, являются воспроизводимыми и контролируемыми при производстве. Однако электронная литография – это длинный и дорогой процесс, который не позволяет выпускать партии подложек и поэтому не может быть основой для массового создания SERS-чипов. А создавать SERS-структуры, эффективно работающие под лазерным возбуждением с длиной волны в диапазоне 500–650 нм, с использованием фотолитографии не представляется возможным, т.к. этот процесс не может обеспечивать создание структурных элементов и зазоров между ними на поверхности подложек с размерами ниже дифракционного предела (~300 нм). Поэтому для использования наиболее распространенных рамановских спектрометров с длинами волн возбуждающего излучения, лежащего в диапазоне 500–650 нм, с целью SERS-идентификации молекулярных соединений необходимо уметь точно подстраивать плазмонный резонанс SERS-подложек под длину волны лазера.

В данной работе было показано, как, изменяя морфологию наноостровковых SERS-подложек с помощью методов вакуумного термического напыления и температурного отжига, становится возможным контролировано, воспроизводимо и эффективно подстраивать положение и ширину контура плазмонного резонанса подложек под входное усиление (на частоте лазерного возбуждения) и выходное усиление (на частоте рамановского рассеяния света).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показана возможность получения методом вакуумного термического напыления с использованием термического отжига SERS-подложек с различной морфологией металлических наночастиц, определяющей их оптические свойства. Методами оптической спектроскопии установлены закономерности в изменении оптических свойств SERS-подложек при изменении латеральных размеров, высот, форм и зазоров между наночастицами. Продемонстрирована возможность точной подстройки пика плазмонного поглощения SERS-подложки под длину волны возбуждающего лазерного излучения. Подтвержден дальнодействующий механизм усиления SERS, обусловленный возникновением поверхностных плазмон-поляритонных волн [25], а не образованием “горячих точек” в зазорах между наночастицами. Результаты данной работы имеют большую прикладную значимость, так как разработка эффективных SERS-подложек для простого и дешевого серийного производства является важной задачей для внедрения SERS-технологий в различные области промышленности, науки и народного хозяйства.

Авторы выражают благодарность Центру коллективного пользования научным оборудованием ИФТТ РАН в части исследований с использованием сканирующей электронной микроскопии. Исследование выполнено за счет гранта Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-04-60077).