Применение транспортных процессов в стеклах для их модификации и управления ростом металлических наноструктур

Как в высоковольтных электросистемах, так и в устройствах и элементах субмикронного масштаба, работающих при низких электрических напряжениях, возникают высокие электрические поля. Сопутствующие этому явление - поляризация диэлектрика, анализ которой обычно сводится либо к рассмотрению накопления и утечки электрического заряда, либо к формированию объёмного заряда. Однако существует большая группа диэлектриков, содержащих способные к дрейфу ионы, характеризующиеся малыми подвижностями с высокими энергиями активации, что не позволяет рассматривать такие материалы, как просто ионные проводники. К этим материалам, в первую очередь, относятся стекла и нанокомпозиты на их основе. В стёклах, подвергнутых воздействию электрического напряжения, обнаружены такие явления, как генерация второй гармоники оптического излучения и электрооптический эффект Поккельса, отсутствующие в центросимметричных средах, продемонстрировано формирование рельефа поверхности и показано, что в результате перераспределения малоподвижных носителей заряда в поляризованных стеклах формируются сверхвысокие локальные электрические поля. Экспериментальные результаты, свидетельствуют о том, что действие этих локальных полей вызывает, в свою очередь, локальные изменения структуры и состава, приводит к образованию пор в нанокомпозитах, подавляет нуклеацию и рост металлических наночастиц при фазовом распаде стёкол. До настоящего времени отсутствует описание физических процессов, протекающих в стёклах при воздействии сильных электрических полей, а их использование сводится к генерации второй оптической гармоники. В то же время стекла, демонстрирующие «кристаллические» свойства – это перспективный материал для широкого диапазона применений.

Исследования металлических наночастиц сейчас проводятся в большинстве ведущих университетов мира. К настоящему времени предложено и исследовано большое количество структур из металлических наночастиц, свойства которых приводят к формированию высоких электрических полей и определяют перспективность их применения таких структур в датчиках на основе Рамановского рассеяния, в фотокатализе, нелинейной оптике, фотовольтаике и других областях. Эта применимость была подтверждена с использованием пробных структур из отдельных наночастиц или групп наночастиц, изготавливаемых с помощью электронной литографии. Однако, именно необходимость в электронно-литографическом изготовлении этих наноструктур привела к тому, что широкое использование нашли лишь не требующие электронной литографии для изготовления, простые и дешевые свободные наночастицы, синтезируемые в больших объемах и самоорганизующиеся металлические островковые пленки. Они преимущественно применяются в катализе и системах, использующих усиленное поверхностью Рамановское рассеяние. Возможность самоорганизованного, не требующего применения электронной литографии, формирования упорядоченных систем и малых групп наночастиц, до настоящего времени не реализованная, является крайне актуальной для развития фотоники. Одним из подходов к решению этой проблемы является самоорганизация восстановленных атомов металлов в стеклах, модифицированных неоднородно распределенным электрическим полем, в частности, формирование единичных наночастиц и их групп заданной конфигурации в требуемых местах стеклянной подложки.

Проекты:

«Наноструктурирование сверхвысоким электрическим полем» (2016-2018, рук. Липовский А.А.) и «Высокочувствительные биосенсоры на основе самоорганизованных металлических наночастиц» (2017-2019, рук. Липовский А.А.)

Проблемами, решаемыми в рамках проектов, являются:

1) Установление природы процессов, протекающих в стеклообразных материалах в сверхсильных локальных электрических полях, развитие теории индуцированной электрическим полем локальной модификации материалов и демонстрация применимости электрополевой модификации для нано- и микроструктурирования материалов для последующего изготовления приборных структур, таких как интегрированные в оптические системы дифракционные структуры, микроканалы с чувствительными элементами рамановских датчиков, нелинейно-оптические элементы, и др. Актуальность этого определяется перспективой разработки нового типа технологии – электрополевого импринтинга на стеклообразных материалах, обеспечивающего формирование заданного поверхностного рельефа, зарядового рельефа и рельефа показателя преломления, рост наночастиц в заданных позициях, формирование рельефа химической стойкости, представляющего интерес в сочетании с последующим химическим травлением. Особенностью этой технологии является простота реализации, не требующей литографических методов вплоть до формирования структур с наименьшими из характерных для фотоники размерами, ~200 нм, и, соответственно, низкая стоимость изготавливаемых устройств и элементов. Формируемые с помощью такой технологии элементы могут найти широкое применение, в частности, при изготовлении монолитных оптических схем с интегрированными дифракционными структурами, микроканалов, интегрируемых с чувствительными элементами рамановских датчиков, и др.

Рисунок из статьи A. N.Kamenskii, I. V. Reduto, V. D. Petrikov, A. A. Lipovskii, Effective diffraction gratings by acidic etching of thermally poled glasses, Optical Materials 62 (2016) 250-254.  DOI: 10.1016/j.optmat.2016.09.074 
 
2) Разработка и изготовление структур из металлических наночастиц для усиления рамановского рассеяния в системах анализа химических и биологических объектов. Это включает теоретический анализ и моделирование процессов самоорганизации наночастиц при диффузии металлов из объема стекла на поверхность, моделирование электродинамических характеристик различающихся конфигурацией систем металлических наночастиц, расчет распределений электрического поля с учетом влияния подложки и покрывающих слоев, изготовление экспериментальных образцов с группами наночастиц, их диагностику и исследование. На основе этих результатов будут продемонстрированы предназначенные для использования в фотонике эффективные структуры на основе самоорганизованных ансамблей и групп наночастиц. В экспериментах будет использован подход, основанный на формировании заданного пространственного распределения наночастиц при обратной диффузии металла из стеклянной подложки. 
 
Рисунок из статьи E. S. Babich, A. V. Redkov, I. V.Reduto, S. A. Scherbak, A. N. Kamenskii, A. A. Lipovskii, Raman enhancement by individual silver hemispheroids, Applied Surface Science 397C (2017) 119-124. DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.11.127

Информация © 2015-2017 Университет ИТМО
Разработка © 2015 Департамент информационных технологий