Исследование оптических и плазмонных свойств гибридных стркутур на основе углеродных пленок и металлических наночастиц тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Аббоуд Мохамед Мостафа Хассаниен Элсаид

• Аббоуд Мохамед Мостафа Хассаниен Элсаид
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Аббоуд Мохамед Мостафа Хассаниен Элсаид

CONTENTS

Реферат

Synopsis

Introduction

CHAPTER 1. Literature review

1.1 Crystalline carbon form

1.2 Amorphous carbon forms

1.3 Properties and application of amorphous hydrogenated carbon films

1.4 Plasmon resonance in metal nanoparticles

1.5 Surface plasmon resonance of metal NPs in dielectric-liquid media

1.6 Plasmonic properties of metal nanoparticles in hybrid solid structures

1.7 Properties of a-C:H films with incorporated metal particles

1.8 Hybrid structure of a-C:H with plasmonic NPs and its application

1.9 Chapter conclusion

CHAPTER 2. Hybrid structures of a-C:H and granulated gold thin-film

2.1 Experimental details

2.2 Optical properties of a-C:H films

2.3 Localized surface plasmon resonance in Au NPs/a-C:H thin-film 112 structures

2.4 Annealing effect on the LSPR in granulated gold nanoparticles on a-C:H film surface

2.5 Annealing effect on granulated gold film morphology

2.6 Annealing effect on the optical properties of a-C:H films

2.7 Chapter conclusion

CHAPTER 3. Hybrid structures of a-C:H with granulated silver films

3.1 Experimental details

3.2 The nanostructure morphology of silver films deposited on the a-C:H ^^ surfaces and annealing effect

3.3 Optical density spectra of Ag/a-C:H / thin-film structures

3.4 Annealing effect on the optical density spectra of the Ag/ a-C:H thin- ^^ film structures

3.5 The photoluminescence of a-C:H with Ag NPs in the thin-film structures

3.6 Annealing effect on the PL intensity of Ag/a-C:H thin-film structures

3.7 Raman Spectra of a-C:H in thin-film structures with granulated Ag j^g films

3.8 Chapter conclusion

CHAPTER 4. Application of a-C:H films and their structures with nanostructured silver films

4.1 Experimental details

4.2 Optical properties of a-C:H film

4.3 Optical properties of bovine serum albumin in phosphor buffer solutions

4.4 Detection of BSA at the interfaces of a-C:H and a-C:H/Ag films

4.5 Chapter conclusion

Thesis conclusion

List of acronyms and symbols

Bibliography

Appendix A. main journal papers

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование оптических и плазмонных свойств гибридных стркутур на основе углеродных пленок и металлических наночастиц»

Реферат

Общая характеристика диссертации

Введение и мотивация. Наночастицы благородных металлов (НЧ) вызывают большой интерес благодаря своим плазмонным свойствам. Локализованный поверхностный плазмонный резонанс (ЛППР) в НЧ золота и серебра может наблюдаться в видимой области. Это значительно расширяет возможности использования этих НЧ во многих приложениях в оптоэлектронике и фотонике. Частота плазмонного резонанса зависит от размера и формы металлических наночастиц (НЧ), а также от диэлектрических свойств окружающей среды. Полоса плазмонов в спектрах поглощения может контролироваться введением металлических наночастиц в диэлектрические жидкости и в гибридные структуры с диэлектрическим материалом. Возможность изменения частоты и интенсивности плазмонной частоты наночастиц золота и серебра в диэлектрических средах используется в различных оптических датчиках, включая биосенсоры и другие фотонные устройства.

В гибридных структурах с НЧ благородных металлов использовались диэлектрические материалы на основе оксидов, такие как Л12Оз, ТЮ2, 1ТО и БЮ2. Аморфный гидрогенизированный углерод (а-С:Н) благодаря своим уникальным свойствам представляет научный и практический интерес, как диэлектрик, в композитах с металлическими НЧ. Показатель преломления а-С:Н изменяется в широком диапазоне от 2.4 как у алмаза до 1.6, характерного для полимеров, в зависимости от условий осаждения. Диэлектрический материал с такими свойствами может изменять положение основной моды ЛППР в гибридных структурах с плазмонными НЧ. Для получения композитов на основе а-С:Н с НЧ благородных металлов используют метод химического осаждения паров углеводородов в плазме тлеющего разряда на постоянном токе и ВЧ потенциале с одновременным распылением углеводоров металлических мишеней ионами инертного газа [1].

В соответствии с теоретическими представлениями об атомной и электронной структуре аморфного углерода его различные модификации состоят из атомов углерода в sp3 состоянии гибридизации электронной оболочки, образующих тетраэдрические а-связи, и атомов в sp2 состоянии, образующих л-связи. Согласно модели Робертсона структура аморфного углерода [2] состоит из л-связанных кластеров, заключенных в а -связанную матрицу. Оптическая щель аморфного углерода образована л-состояниями в валентной зоне и л*- состояниями в зоне проводимости вблизи уровня Ферми. Ширина оптической щели а-С:Н соответствует энергии наиболее вероятного электронного л-л* перехода и зависит от размеров л-связанных кластеров из атомов углерода в sp2состоянии. Содержание в структуре атомов углерода в sp3 состоянии определяет туннельный барьер между л-кластерами [2].

Фотолюминесценция (ФЛ) и комбинационное рассеяние (КР) света в пленках а-С:Н зависят от особенностей их структуры. Широкополосные спектры ФЛ в видимой области, характерные для а-С:Н, связаны с наложением ФЛ, возникающей в результате рекомбинации электронно-дырочных пар внутри отдельных л-связанных кластеров. Спектры комбинационного рассеяния обусловлены полностью симметричными валентными колебаниями sp2-атомов углерода в а-С:Н пленках [3]. Резонансные условия возбуждения спектров КР приводят к селективному усилению рассеяния на частотах тех центров, для которых эти условия оптимальны. Изучение условий плазмонного усиления фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света в тонкопленочных структурах на основе а-С:Н и НЧ благородных металлов позволит значительно расширить знания об оптических и плазмонных свойствах гибридных метал-диэлектрик структур и представляют интерес для их практического применения.

Основная цель данной работы - изучение взаимодействия аморфного гидрогенизированного углерода с гранулированными золотыми и серебряными

пленками в их тонкопленочных структурах для управления локализованным поверхностным плазмонным резонансом, возбуждаемым в металлических наночастицах, и усиления фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света в пленках а-С:Н для фотонных приложений.

В соответствии с этой целью основными задачами данной работы являются проведение следующих экспериментальных исследований:

1. Изучить особенности спектров ЛППР в гранулированных металлических пленках, осажденных на тонкие пленки а-С:Н при вариации их ширины оптической щели.

2. Изучить эффект последующего отжига тонкопленочных структур на основе а-С:Н с разной оптической щелью и гранулированных металлических пленок на изменение частоты и интенсивности плазмонного резонанса в их спектрах.

3. Изучить особенности фотолюминесценции пленок a-C:H с разной оптической щелью в структурах с гранулированными металлическими пленками.

4. Изучить спектры КР пленок a-C:H с разной шириной оптической щели в гибридных структурах с гранулированными металлическими пленками.

5. Исследовать возможность обнаружения фотолюминесценции белка в видимой области спектра с помощью a-C:H пленок в структурах с гранулированными металлическими пленками.

Методы исследования. Тонкие пленки a-C:H осаждались из паров толуола в тлеющем разряде на постоянном токе, поддерживаемом магнетронной плазмой. Изменение свойств таких пленок осуществлялось путем вариации напряжения между электродами и давления в вакуумной камере. Гранулированные тонкие пленки золота и серебра разной толщиной были получены методом термического испарения. Для решения поставленных в работе задач использовались оптические методы исследования: абсорбционная спектроскопия и конфокальная лазерная сканирующая микроскопия в видимой области спектра, спектроскопия

комбинационного рассеяния света, сканирующая электронная микроскопия и атомно-силовая микроскопия.

Новизна результатов. В результате экспериментальных исследований оптических свойств гибридных тонкопленочных структур на основе пленок а-С:Н с гранулированными (островковыми) золотыми и серебряными пленками впервые:

1. Получен синий сдвиг основной моды ЛППР на 32 нм в наночастицах Аи гранулированных пленок толщиной 2 нм, нанесенных на пленки а-С:Н в результате увеличения оптической щели от 0.8 до 2.4 эВ.

2. Показано влияние температуры отжига в диапазоне 200-400°С на синий сдвиг основной плазмонной моды ЛППР в Аи НЧ гранулированных пленках толщиной 2 нм в тонкопленочных структурах с пленками а-С:Н с оптической щелью 0.67 эВ и 2.7 эВ.

3. Показано влияние толщины гранулированной серебряной пленки (2 нм, 4 нм и 10 нм) в тонкопленочных структурах на основе а-С:Н на величину синего сдвига основной плазмонной моды ЛППР и увеличение интенсивности плазмонной полосы в спектрах оптической плотности.

4. Получены две хорошо разрешенные плазмонные полосы с одинаковой интенсивностью в спектрах тонкопленочных структур на основе а-С:Н с гранулированной пленкой Ag толщиной 10 нм после отжига образцов при 200°С.

5. Получено многократное плазмонное усиление фотолюминесценция в тонкопленочных структурах и показано влияние на интенсивность ФЛ ширины оптической щели а-С:Н, толщины гранулированной серебряной пленки и последующего отжига образцов.

6. Получено поверхностно-усиленное комбинационного рассеяния света в а-С:Н с узкой оптической щелью в тонкопленочных структурах с гранулированной серебряной пленкой толщиной 4 нм после отжига образцов при 200°С.

7. Получена усиленная собственная ФЛ бычьего сывороточного альбумина на поверхности пленки a-C:H в видимой области спектра.

Положения, выносимые на защиту

1. Спектральный синий (гипсохромный) сдвиг основной моды локализованного поверхностного плазмонного резонанса в наночастицах золота и серебра увеличивается в их гибридных тонкопленочных структурах с аморфным гидрогенизированным углеродом с увеличением ширины оптической щели из-за уменьшения показателя преломления пленки a-C:H на границе с наночастицами.

2. Плазмонное усиление фотолюминесценции аморфного гидрогенизированного углерода в гибридных тонкопленочных структурах с наночастицами серебра в результате экситон-плазмонного взаимодействия зависит от ширины оптической щели a-C:H и наноструктуры гранулированной серебряной пленки.

3. Поверхностно-усиленное комбинационное рассеяние света в гибридных тонкопленочных структурах за счет возбуждения плазмонов в наночастицах серебра зависит от толщины гранулированной серебряной пленки, ширины оптической щели a-C:H и последующего отжига образцов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается методами исследования на сертифицированном оборудовании и воспроизводимостью результатов измерений. Их объяснения даются в рамках существующих научных представлений и не противоречат ранее опубликованным результатам исследований других авторов.

Апробация результатов. Результаты работы докладывались на международных и российских конференциях: PCNSPA 2018 Фотонные коллоидные наноструктуры: синтез, свойства и применение, 4-8 июня 2018 г., Санкт-Петербург, Россия; 8-й научный симпозиум молодых исследователей, 29-30 июня 2018 г., Египет; X Международная конференция «Основные проблемы оптики», 15-18 октября 2018 г., Санкт-Петербург, Россия; XI Международная конференция «Основные

проблемы оптики», 21-25 октября 2019 г., Санкт-Петербург, Россия; 9-й Международный конгресс и выставка достижений в области прикладной физики и материаловедения (APMAS 2019) », 22-28 октября 2019 г., Олюдениз, Турция; XII Международная конференция «Основные проблемы оптики», 19-23 октября 2020 г., Санкт-Петербург, Россия. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 статьях индексируемых Web of Science / Scopus.

Личный вклад автора. Содержание опубликованных статей и докладов отражают личный вклад автора в представленную работу. Он состоит в проведении измерений и обработке результатов экспериментов, написании и редактировании научных статей и рефератов. Обсуждение результатов экспериментов и написание опубликованных статей проводились совместно с соавторами. Общая постановка целей и задач исследований в рамках диссертационной работы проведена совместно с научным руководителем Е.А. Коншиной.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключение и список использованной литературы. Материал диссертации изложен на 220 страницах текста и включает 49 рисунков и 12 таблиц. Список цитированной литературы состоит из 168 наименований на 14 страницах.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Аббоуд Мохамед Мостафа Хассаниен Элсаид

Основные результаты работы

1. Проведено исследование тонкопленочных структур гранулированных пленок золота толщиной 2 нм с пленками а-С:Н. Влияние на синий сдвиг основной моды локализованного поверхностного плазмонного резонанса в металлических наночастицах наблюдалось при изменении оптической щели а-СЛ.

2. Проведено сравнение образцов тонкопленочных структур гранулированных золотых пленок с пленками а-С:Н с узкой (0.67 эВ) и широкой (2.7 эВ) оптической щелью, и показано влияние на величину интенсивности и положение пика основной моды локализованного поверхностного плазмонного резонанса температуры отжига в интервале 200-400°С из-за изменения морфологии наноструктуры металлических наночастиц.

3. Исследована фотолюминесценция пленок а-С:Н в их тонкопленочных структурах с гранулированными пленками серебра и показано влияние оптической щели а-С:Н и изменение формы и размера наночастиц серебра в результате отжига на интенсивность спектров.

4. Получены спектры оптического поглощения тонкопленочных структур гранулированных серебряных пленок толщиной 10 нм с пленкой a-C:H с хорошо разрешенными двумя плазмонными полосами с одинаковой интенсивностью после отжига при 200°С.

5. Проведено сравнение образцов тонкопленочных структур a-C:H с узкой и широкой оптической щелью с гранулированными серебряными пленками разной толщины и показано их влияние на изменения спектров оптической плотности и фотолюминесценции при возбуждении в видимой области спектра.

6. Изучено спектры фотолюминесценции и комбинационного рассеяния тонкопленочных структур на основе a-C:H и гранулированных серебряных пленок после отжига образцов при 200oC и показано влияние на плазмонное усиление этих спектров толщины пленок Ag и особенностей электронной структуры пленок a-C:H.

7. Исследована фотолюминесценция бычьего сывороточного альбумина, как модели протеинов, на поверхности пленки a-C:H и получено усиление интенсивности и концентрационная зависимость собственной видимой люминесценции зависимость его молекул, что может быть использовано в оптических сенсорах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Аббоуд Мохамед Мостафа Хассаниен Элсаид, 2021 год

Публикации по теме диссертации

[A1] Abboud, M. M., E. A. Konshina, and D. P. Shcherbinin. "Hybrid Structures of a-C:H Films Covered with Ag Nanoparticles for Application in Photonics." Optics and Spectroscopy 128 (2020): 1244-1250.

[A2] Konshina, E. A., D. P. Shcherbinin, and M. M. Abboud. "Enhancement of photoluminescence and Raman scattering in hybrid thin-film structures of a-C:H with silver nanoparticles." Optics and Spectroscopy 128 (2020): 410-416.

[A3] Shcherbinin, D. P., Konshina, E. A., Abboud, M. M., Gladskikh, I. A., Vartanyan, T. A., & Parfenov, P. S. "Double plasmon resonance in hybrid structures of silver nanoparticles with amorphous hydrogenated carbon." Journal of Modern Optics 66 (2019): 1889-1895.

[A4] Konshina, E. A., Abboud, M. M., Shcherbinin, D. P., Gladskikh, I. A., Zakharov, V. V., & Parfenov, P. S. "Multi-fold plasmon-enhanced photoluminescence of a-C:H thin films." Diamond and Related Materials 98 (2019): 107470.

[A5] Konshina, E. A., E. A., Shcherbinin, D. P., Abboud, M. M., Bogdanov, K. V., Gladskikh, I. A., & Polischuk, V. A. "Hybrid nanostructures of plasmonic gold nanoparticles with a-C:H thin films." Applied Surface Science 471 (2019): 652-657.

[A6] Konshina, E. A., E. A., Scherbinin, D. P., Abboud, M. M., & Gladskikh, I. A. "The shift of the peak of a localized plasmon resonance in granulated gold films on the surface of a-C:H." Optics and Spectroscopy 125 (2018): 290-292.