Наноматериалы со структурой инвертированного опала: электрохимический синтез и оптические свойства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Мартынова Наталья Александровна

• Мартынова Наталья Александровна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Мартынова Наталья Александровна

Введение

1. Литературный обзор

1.1. Наноматериалы со структурой инвертированного опала

1.1.1. Оптические свойства инвертированных опалов

1.1.2. Сенсорные свойства инвертированных опалов (ГКР спектроскопия)

1.1.3. Методы получения инвертированных опалов

1.1.4. Получение матриц коллоидных кристаллов

1.2. Инвертированные опалы на основе золота (Аи)

1.2.1. Оптические свойства золотых инвертированных опалов

1.2.2. Сенсорные свойства золотых инвертированных опалов

1.2.3. Электрохимические методы получения золотых инвертированных опалов

1.3. Инвертированные опалы 2пО(А1)

1.3.1. Оптические свойства сплошных пленок ZnO(Al)

1.3.2. Фотолюминесцентные свойства

1.3.3. Текстурированные антиотражающие поверхности

1.3.4. Оптические свойства инвертированных опалов ZnO

1.3.5. Транспортные свойства

1.3.6. Легирование ZnO алюминием

1.3.7. Электрохимические методы получения пленок ZnO(Al)

1.3.8. Электрохимическое получение инвертированных опалов на основе ZnO

1.4. Постановка задач исследования

2. Экспериментальная часть

2.1. Реактивы и материалы

2.2. Условия электрохимических экспериментов

2.2.1. Синтез пленок без темплата

2.2.2. Синтез монодисперсных полистирольных микросфер

2.2.3. Подготовка поверхности подложек

2.3. Получение опалоподобных пленок

2.3.1. Формирование матриц коллоидных кристаллов

2.3.2. Формирование инвертированных опалов методом электрохимического осаждения

2.4. Методы исследования

2.4.1. Динамическое светорассеяние

2.4.2. Сканирующая электронная микроскопия

2

2.4.3. Хроноамперо/кулонометрия

2.4.4. Циклическая вольтамперометрия

2.4.5. Рентгенофазовый анализ

2.4.6. Рентгеноспектральный микроанализ

2.4.7. Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой

2.4.10. Атомно-силовая микроскопия

2.4.11. Спектроскопия комбинационного рассеяния

2.4.12. Оптическая спектроскопия

2.4.13. Фотолюминесцентная спектроскопия

2.4.14. ЯМР спектроскопия

3. Обсуждение результатов

3.1. Моделирование оптических свойств инвертированных опалов

3.2. Коллоидные кристаллы

3.3. Аи инвертированные опалы

3.3.1. Структура и морфология

3.3.2. Оптические свойства

3.3.3. Применение в качестве подложек для ГКР-спектроскопии

3.4. Электрохимически индуцированное осаждение пленок ZnO и ZnO(Al)

3.4.1. Ацетатные неводные электролиты

3.4.1.1. Исследование структуры 2пО(Л1)

3.4.1.2. Исследование состава 2пО(Л1)

3.4.2. Фотолюминесцентные свойства

3.4.3. Оптические свойства сплошных пленок ZnO и ZnO(Al)

3.4.4. Транспортные свойства сплошных пленок ZnO и ZnO(Al)

3.5. Инвертированные опалы на основе ZnO(Al)

3.5.1. Структура и морфология

3.5.2. Оптические свойства

3.5.3. Сопоставление оптических свойств полученных инвертированных опалов ZnO(Al) и моделирования

4. Выводы

5. Список литературы

6. Благодарности

7. Приложение 1. Условные обозначения синтезированных образцов

Сокращения и обозначения

КР комбинационное рассеяние

ГКР гигантское комбинационное рассеяние

РФА рентгенофазовый анализ

СЭМ сканирующая электронная микроскопия

РСМА рентгеноспектральный микроанализ

АСМ атомно-силовая микроскопия

РФЭС рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

ЛАЭС лазерно-индуцированная атомно-эмиссионная спектроскопия

ЦВА циклическая вольтамперометрия

ТГ термогравиметрия

ДТА дифференциально-термический анализ

ВАХ вольт-амперная характеристика

ППР поверхностный плазмонный резонанс

ОКР область когерентного рассеяния

ПШУ плотнейшая шаровая упаковка

ГЦК гранецентрированная кубическая (решетка)

ГПУ гексагональная плотноупакованная (решетка)

А2О оксид цинка, легированный алюминием

1ТО стекло с проводящим покрытием 1п2О3 -^п02)х

ЭДТА этилендиаминтетрауксусная кислота

ДМСО диметилсульфоксид

УФ ультрафиолетовый

ИК инфракрасный

d межплоскостное расстояние

и диаметр сферической частицы

Е± напряженность внешнего электрического поля, приложенного

перпендикулярно плоскости подложки

Ел потенциал осаждения

О вектор обратной решетки

к толщина

k нормированная толщина

I сила тока

] плотность тока

к волновой вектор

п показатель преломления

пед- эффективный показатель преломления

ц вектор рассеяния

Q электрический заряд

Я коэффициент отражения

Ятеор коэффициент отражения по данным численного моделирования

Яэксп экспериментальный коэффициент отражения

Т коэффициент пропускания

Б площадь

/ время

Т температура

и напряжение

е диэлектрическая проницаемость

С дзета потенциал

в угол падения

X длина волны

щ азимутальный угол

О коэффициент усиления сигнала ГКР спектроскопии

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Наноматериалы со структурой инвертированного опала: электрохимический синтез и оптические свойства»

Введение

На протяжении последних десятилетий значительные усилия исследователей направлены на создание и изучение высокоэффективных материалов для разнообразных оптических применений. К ним относятся коллоидные кристаллы, состоящие из плотноупакованных сферических частиц субмикронного размера, а также инвертированные опалы, получаемые путем заполнения пустот коллоидных кристаллов требуемым веществом и дальнейшим удалением матрицы. Инвертированные опалы получили свое название благодаря тому, что строение матрицы коллоидного кристалла похоже на структуру природного полудрагоценного камня опала, а при заполнении пустот матрицы и ее удалении получается другая форма материала путем инвертирования (от латинского глагола туейеге - обращать, переворачивать). Инвертированные опалы можно получить из большого количества химических веществ, что приводит к большему разнообразию функциональных свойств этих материалов.

Круг применений инвертированных опалов очень разнообразный. Для создания оптических сенсоров и подложек для спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) [1, 2] перспективно использование инвертированных опалов на основе благородных металлов (например, Аи). На поверхности таких периодических структур возможно наличие локализованных и делокализованных плазмонов. Условия возбуждения разных типов плазмонов в большей степени определяются морфологией металлической поверхности. Оптические свойства инвертированных опалов на основе полупроводниковых материалов изучены менее системно, чем на основе металлов, что можно объяснить сложностью синтеза. Пленки на основе оксида цинка и легированного 2п0 перспективны для использования в качестве прозрачных проводящих элементов пленочных устройств для оптоэлектроники из-за прозрачности материала в видимом диапазоне и высоких значений электропроводности [3, 4]. Пленки 2п0, легированные алюминием, считаются одной из наиболее перспективных альтернатив 1п2О3 -^п02)х (1Т0), широко используемому в настоящее время в качестве материала для прозрачных электродов.

Среди возможных методов формирования инвертированных опалов следует

выделить электрохимический синтез, основным преимуществом которого является

6

высокая степень заполнения пустот коллоидных кристаллов и возможность контроля количества внедренного вещества. В настоящее время методы электрохимического формирования пленок со структурой инвертированного опала разработаны, в основном, для металлов. Для них актуальной является разработка нетоксичных электролитов и нахождение условий получения структур с заданной морфологией. Электрохимический синтез инвертированных опалов на основе Au, 2п0 и 2п0^1) позволит контролируемо изменять геометрические параметры пленок в процессе синтеза и направленно варьировать оптические свойства получаемых структур.

Целью диссертационной работы является разработка электрохимических синтетических подходов для формирования металлических ^и) и полупроводниковых (ZnO, 2п0^1)) инвертированных опалов, характеризация и установление взаимосвязи между их составом, структурой и оптическими свойствами.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1) Установление закономерностей изменения микроструктуры, фазового состава, состава поверхности, оптических, фотолюминесцентных и транспортных характеристик полученных материалов в зависимости от условий синтеза.

2) Определение влияния параметров электрохимического синтеза на микроструктуру, фазовый состав, морфологию поверхности инвертированных опалов на основе Au и на основе ZnO, легированного Al.

3) Определение зависимости оптических свойств инвертированных опалов Аи и ZnO(Al) от морфологии их поверхности. Сопоставление экспериментальных данных с результатами численного моделирования.

4) Анализ усиления сигнала ГКР от аналитов (метиленовый синий, родамин 6ж), нанесенных на подложки из полученных золотых инвертированных опалов.

Объектом исследования являются инвертированные опалы на основе металлов ^и) и неорганических полупроводников (2п0, Zn0(A1)).

Положения, выносимые на защиту: 1) Электрохимические методы демонстрируют высокую эффективность и уникальную управляемость для формирования инвертированных опалов с

заданными оптическими свойствами как на основе металлов (Аи), так и полупроводников (2иО), в том числе легированных (2иО(А1)).

2) Золотые инвертированные опалы, полученные электрохимическим осаждением из наиболее эффективного в данном случае электролита на основе НАиС14, характеризуются иерархической пористой структурой с дисперсными изотропными зернами размером 40 ± 10 нм.

3) Оптические свойства золотых инвертированных опалов отличны от оптических свойств неструктурированных пленок золота в связи с присутствием полос поверхностного плазмонного резонанса, связанных с возбуждением плазмонов «смешанного типа», возможных в периодических структурах. Золотые инвертированные опалы в качестве ГКР-активных подложек позволяют достигать усиления сигнала ГКР с аналитов до 106 раз.

4) Инвертированные опалы на основе 2иО(А1), сформированные наиболее эффективным в данном случае методом электрохимически индуцированного осаждения из неводного ацетатного электролита с последующим отжигом с контролируемым охлаждением, обладают иерархической пористой структурой с дисперсными изотропными зернами размером 40 ± 10 нм.

5) Оптические свойства инвертированных опалов на основе Zn0(Al) характеризуются наличием минимума коэффициента отражения в видимой области спектра, положение которого зависит от периода структуры и морфологии поверхности. Теоретически рассчитанный минимум коэффициента отражения для инвертированных опалов Zn0(Al~1 ат. %) с периодом структуры 345 ^ 433 нм при нормированной толщине верхнего слоя 0,5 диаметра микросфер составляет 0,16 %, в то время как экспериментальное значение достигает 0,6 %.

Научная новизна работы заключается в разработке воспроизводимых методик получения золотых инвертированных опалов с заданными положениями локализованных и брэгговских плазмонов в смешанном состоянии путем электроосаждения из наиболее эффективного электролита на основе НАиС14. Выявлен новый тип морфологии поверхности подложки, определяющий активность конечных материалов в ГКР спектроскопии. Впервые определены коэффициенты усиления сигнала ГКР для золотых инвертированных опалов из дисперсного электролитического осадка золота. Показано, что полученные

подложки обладают сигналами ГКР, сравнимыми по величине с аналогами, состоящими из монолитного осадка. С помощью сочетания методов РФА, ЯМР, фотолюминесцентной спектроскопии, РСМА, ПЭМ впервые показано, что при получении наноструктурированных антиотражающих покрытий

электрохимическим методом происходит легирование оксида цинка алюминием. Выявлены морфологические параметры инвертированных опалов на основе 2п0^1), позволяющие достичь минимального коэффициента отражения. Проведено моделирование зависимости коэффициента отражения от морфологии поверхности инвертированного опала и определены экспериментально коэффициенты отражения полученных образцов. Экспериментальные значения зависимости коэффициентов отражения от морфологии поверхности для синтезированных образцов подтверждают численно смоделированную зависимость.

Теоретическая и практическая значимость работы заключаются в расширении существующих представлений о химических методах получения и физических свойствах 2D инвертированных опалов. Показана возможность применения золотых инвертированных опалов в качестве подложек для спектроскопии ГКР, позволяющих детектировать рамановский сигнал для растворов с концентрациями веществ до 10-10 М. С использованием инвертированных опалов золота с нормированной толщиной k ~ 0,3 ^ 0,4 получены спектры с растворов гемина, гемоглобина и каталазы с концентрациями ~ 10-6 M при объеме аликвоты ~ 1 мкл. Теоретически и экспериментально обоснована эффективность применения инвертированных опалов ZnO(Al) в качестве прозрачных в видимом диапазоне полупроводниковых покрытий с антиотражающими свойствами с целью снизить отражение света от поверхности оптоэлектронных устройств. Инвертированные опалы ZnO(Al) могут быть использованы для создания пористых п - полупроводящих каркасов в составе фотоэлектрических устройств, а также фотокатализаторов. Полученные в ходе выполнения диссертационной работы результаты могут быть использованы при подготовке учебно-методических материалов в рамках учебных курсов по химии твердого тела, материаловедению, а также спецпрактикумов по методам синтеза и исследования структуры и свойств функциональных материалов.

Личный вклад автора состоит в анализе литературных данных, постановке задач исследования, подготовке и проведении синтеза объектов исследования, интерпретации, обработке и обсуждении данных физико-химических методов анализа, исследовании образцов методами оптической спектроскопии, гигантского комбинационного рассеяния, динамического светорассеяния, электрохимическими методами (хроноамперометрия и циклическая вольтамперометрия), изучении фотолюминесцентных и транспортных свойств образцов, анализе полученных результатов, подготовке и написании публикаций по теме диссертации.

Апробация результатов исследования. Основные результаты работы представлены в виде докладов и обсуждены на следующих российских и международных конференциях: IV международной школе-конференции по органической электронике IFSOE-2018 (Кострово), VIII международной конференции "Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества" (Суздаль), X ежегодной конференции нанотехнологического общества России (Москва), VI и VIII конференции молодых ученых по общей и неорганической химии (Москва), XXI и XXIII Менделеевских конференциях молодых ученых (Дубна, Казань), Всероссийской молодежной конференции «Опалоподобные структуры» (Санкт - Петербург), XIII конференции студентов и аспирантов «Химия и физика полимеров» (Москва), X, XI, XIV и XVIII конференциях молодых ученых «Актуальные проблемы неорганической химии» (Звенигород), XVII ^ XXVI международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва).

Публикации. По результатам, полученным в ходе подготовки настоящей диссертации, опубликовано 33 работы, в том числе 7 статей в международных и российских научных журналах (в рекомендованных изданиях ВАК Минобрнауки РФ, индексируемых в базах данных РИНЦ, Web of Science, Scopus) и 26 тезисов докладов в сборниках тезисов международных и всероссийских конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов, заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 175 страницах машинописного текста и включает 19 таблиц, 121 рисунок и 163 ссылки на литературные источники.

1. Литературный обзор

1.1. Наноматериалы со структурой инвертированного опала

На протяжении последних десятилетий значительные усилия исследователей направлены на создание и изучение пространственно упорядоченных систем с периодом, сопоставимым с длиной волны света. Такими объектами являются фотонные кристаллы - материалы с периодическим изменением диэлектрической проницаемости и, следовательно, с периодическим изменением коэффициента преломления на масштабах, сопоставимых с длинами волн излучений в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Такие структуры обладают фотонной запрещенной зоной и другими уникальными оптическими свойствами. Фотонная запрещенная зона - спектральная область, в пределах которой распространение света в фотонном кристалле подавлено во всех (полная фотонная запрещенная зона) или в некоторых избранных направлениях (будучи прозрачными для широкого спектра электромагнитного излучения, фотонные кристаллы не пропускают свет с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного кристалла).

К одним из наиболее распространенных примеров периодических структур фотонных кристаллов относятся коллоидные кристаллы, состоящие из плотноупакованных сферических частиц, и инвертированные опалы, получаемые путем заполнения пустот коллоидных кристаллов требуемым веществом и дальнейшим удалением матрицы. Инвертированные опалы получили свое название благодаря тому, что структура матрицы коллоидного кристалла похожа на структуру природного полудрагоценного камня опала, а при заполнении пустот матрицы получается новая структура путем инвертирования (от латинского глагола invertere - обращать, переворачивать, т.е. подвергать что-либо инверсии). Необходимо отметить, что микросферы контролируемого диаметра со стандартным отклонением менее 10 % получают лишь из ограниченного круга материалов. Инвертированные опалы, напротив, можно получить из большого количества химических веществ, что приводит к большему разнообразию их функциональных свойств. Круг применений инвертированных опалов весьма разнообразен, например, для создания оптических сенсоров и подложек для

усиления комбинационного рассеяния перспективно использование металлических периодических структур на основе благородных металлов, на поверхности которых возбуждаются поверхностные плазмоны-поляритоны.

Оптические свойства фотонных кристаллов напрямую зависят от дефектности их структуры: от дефектов упаковки, заключающихся в нарушении последовательности чередования слоев микросфер в плотнейшей шаровой упаковке (ПШУ). Совершенство инвертированных опалов определяется как дефектностью матрицы коллоидного кристалла, так и способом внедрения требуемого вещества в пустоты матрицы. Именно совершенные кристаллы обладают наилучшими оптическими характеристиками.

Оптические свойства инвертированных опалов определяются размером микросфер в коллоидных кристаллах и, следовательно, периодом решетки матрицы, а также диэлектрическими проницаемостями компонентов. Также оптические свойства инвертированных опалов зависят от морфологии их внешней поверхности, представляющей собой периодически расположенные лунки с гексагональной симметрией, получающиеся после удаления микросфер матрицы. В связи с тем, что структура коллоидного кристалла формируется слоями плотноупакованных сферических частиц, морфология поверхности металлического инвертированного опала зависит от толщины получаемого образца и периодически осциллирует с её увеличением.

Поскольку оптические свойства металлических инвертированных опалов определяются в основном лишь верхним слоем образца, для описания инвертированных структур с различной морфологией поверхности удобно ввести понятие нормированной толщины k для верхнего слоя, рассчитываемой по формуле:

k = h/D, (1)

где h - расстояние от дна сферических лунок в последнем слое до поверхности образца, а D - диаметр микросфер в коллоидном кристалле. Для образцов, состоящих из одного слоя, h совпадает с их относительной толщиной.

С учетом того, что сферы вышележащего слоя лежат в углублениях, образованных частицами в нижележащем слое, величина k для слоев больше 1 может варьироваться, например, для 2 слоя от 0,9 до 2,1. В модели жестких сфер с

точечным контактом между ними объем пустот в коллоидном кристалле составляет 26 %. При получении инвертированного опала формируется структура, повторяющая систему полостей в исходной матрице, при этом размеры пор варьируются в пределах сотен нанометров, а размеры связывающих поры каналов достигают десятков нанометров. Для получения совершенного кристалла необходимо обеспечить высокие степени заполнения пористой структуры темплата внедряемым веществом, что накладывает существенные ограничения на выбор метода синтеза. Поскольку оптические свойства инвертированных опалов определяются в большей степени морфологией внешней поверхности, чрезвычайно важно формировать однородные по толщине образцы, и при разработке методов получения инвертированных опалов особое внимание следует уделять равномерности распределения требуемого вещества в пустотах матрицы и планарности фронта роста осадка вдоль всей поверхности образца.

1.1.1. Оптические свойства инвертированных опалов

Интерпретацию оптических спектров наноматериалов со структурой инвертированного опала проводят на основании сопоставления экспериментально наблюдаемых кривых и рассчитанных положений минимумов пропускания (максимумов отражения) из формулы Брэгга-Вульфа (2dsin в = пХ), модифицированной для случая ГЦК решетки следующим образом [5]:

киЫ (®ны) - 2 • ^111' пвД- '

3

И2 + к2 +12

' СОв виы!

(2)

где - положение (длина волны) соответствующей стоп-зоны, d111 -расстояние между кристаллографическими плоскостями (111), п^ - эффективный показатель преломления коллоидного кристалла, вш - угол между падающим лучом света и нормалью к плоскости (Ик\) (брэгговский угол), при первом порядке дифракционного максимума (п = 1).

Например, при угле падения света на образец 8° относительно нормали положение фотонной стоп-зоны в направлении (111) можно рассчитать по формуле

(3):

пХ = 2d111neff, (3)

где d111 = 312 О/2 для ГЦК упаковки матриц коллоидных кристалов, п -порядок дифракции, п^ - эффективный показатель преломления материала.

Эффективный показатель преломления для инвертированных опалов вычисляют по формуле:

ПеЛ =д/Пт2 ■ /т + ПшГ2 ■ (1 " /т ) (4)

где nm - показатель преломления материала, nair ~ 1 - показатель преломления воздуха, ^ - объемная доля пространства, занимаемая периодически структурированным материалом. В случае плотнейшей шаровой упаковки микросферы занимают 74 % пространства, а пустоты между ними - 26 %, следовательно, /т = 0,26.

В литературе преимущественно описаны оптические свойства инвертированных опалов на основе благородных металлов (в основном Au), которые интерпретируют с точки зрения возбуждения плазмон-поляритонов -продукта взаимодействия поверхностных плазмонов металла и падающего оптического излучения. На поверхности инвертированного опала выделяют наличие двух видов плазмонов: делокализованные (брэгговские) и локализованные (Ми). Делокализованные плазмон-поляритоны распространяются по поверхности металлического инвертированного опала, и условия их возбуждения зависят от угла падения света и азимутального угла. Ми-плазмоны локализованы внутри усеченных сферических пустот и, в отличие от брэгговских плазмонов, условия их возбуждения не зависят от угла падения света и ориентации образца, а определяются лишь нормированной толщиной, равной отношению толщины инвертированного опала к диаметру сферических пустот. Необходимо отметить, что в зависимости от нормированной толщины на поверхности металлического инвертированного опала преимущественно возбуждаются брэгговские, Ми -плазмоны или вследствие их смешения более сложные плазмонные моды. Условия возбуждения того или иного типа плазмонов в большей степени определяются морфологией металлической поверхности. Структура коллоидного кристалла формируется слоями плотноупакованных микросфер, при этом морфология поверхности металлического инвертированного опала определяется толщиной получаемого образца и периодически изменяется с её увеличением.

При малых значениях нормированной толщины пленок в спектральных зависимостях при различных углах падения наблюдаются моды брэгговских

(делокализованных) плазмонов, в то время как при к ~ 1 - преобладают моды Ми (локализованных) плазмонов. Делокализованные плазмон-поляритоны распространяются по поверхности инвертированных опалов. Условия возбуждения делокализованных плазмонов зависят от угла падения света и ориентации образца. Изученные в работе [6] дисперсионные зависимости мод различных плазмонов, построенные в координатах зависимости энергии поглощенного света от угла падения света на образец, приведены на рис. 1: синий цвет соответствует случаю 0 % поглощения света, белый цвет - более 80 % падающего излучения расходуется на возбуждение плазмон-поляритонов. В литературе делокализованные плазмон-поляритоны называют брэгговскими плазмонами благодаря взаимодействию их между собой через брэгговское рассеяние.

Отраженная от препятствий

поверхностная плазмон-поляритонная волна может интерферировать сама с собой и образовывать стоячую волну, локализующую поверхностный плазмон-поляритон. Для инвертированных опалов такая локализация происходит внутри усеченных сферических пустот, а электромагнитное решение описывается законами рассеяния Ми. По этой причине локализованные плазмон-поляритоны часто называют Ми плазмонами. Вероятность возбуждения локализованных плазмонов увеличивается с ростом глубины сферических пустот. Предполагается, что плазмоны распространяются в пустотах так же, как и на гладкой поверхности металла, но отражаются от верхнего края образца. Энергия возбуждения Ми плазмонов сильно

Рис. 1. (А) Схематичное изображение делокализованных и локализованных плазмонов на поверхности

инвертированного опала [6]. На вставке показано определение нормированной толщины к. (Б) Дисперсионные зависимости брэгговских плазмонов. (В) Дисперсионные зависимости Ми плазмонов. Черными линиями показаны теоретические положения мод.

зависит от морфологии поверхности и не зависит от угла падения света и ориентации образца.

При малых к (< 0,3) инвертированный опал рассматривают как двумерную периодическую гексагональную решетку, которая может быть задана двумя векторами a и b, ориентированными под углом 60° друг к другу и имеющими длину, равную расстоянию между центрами пустот, образующимися после удаления микросфер. На такой поверхности происходит дифракция от цепочек «рассеивателей», которые находятся на расстоянии V3 /2 (ma+nb), где m и n -целые числа.

Брэгговские плазмоны моделируют, используя приближение слабого рассеивания, а энергию их мод E (в, щ) определяют из уравнения:

Е(в, щ) = hcj e—^E) + s-/f (Щк0 sin в + qmn\, (5)

где k0 - волновой вектор падающего света, qmn = 2n/Amn, ed -диэлектрическая константа области над поверхностью и sm(E) - зависимая от энергии комплексная диэлектрическая константа металла, f(y) - функция, которая учитывает ориентацию образца относительно падающего луча света. Предполагается, что брэгговские плазмоны возбуждаются при взаимодействии поверхностных плазмонов с дифрагированным светом в различных направлениях.

Схематичное изображение внешней поверхности инвертированных опалов приведено на рис. 2 (А), а соответствующая ему дифракционная картина на рис. 2 (Б). Структура инвертированных опалов характеризуется осью шестого порядка и определяется двумя векторами обратного пространства G1, G2 с абсолютным значением G = 2n/d, где d = V3d /2 - период гексагональной решетки. Условие фазового синхронизма электромагнитной волны, падающей на поверхность образца (k0) и распространения брэгговских плазмонов можно записать следующим уравнением:

— к = к„ + nG. + mG (6)

spp II 12 V '

где kspp - волновой вектор брэгговского плазмона kII - проекция падающего волнового вектора на горизонтальную плоскость, n, m - целые числа. При этом величины kspp и kII рассчитываются следующим образом:

где - диэлектрическая проницаемость металла, \к

(8)

Теоретические зависимости длин волн возбуждения локализованных (р = 2, 4) и делокализованных (для в = 60°, щ = 0°) плазмон-поляритонов от параметра нормированной толщины к показаны на рис. 2.

Рис. 2. (А) Схематичное изображение инвертированного опала толщиной в пределах 1 слоя микросфер. (Б) Дифракционная картина инвертированного опала с векторами обратной решетки О1 и 02. (В) Условия фазового синхронизма в векторном виде для мод брэгговских плазмон-поляритонов для азимутальных углов щ = 0° (слева) и щ = 30° (справа).

Таким образом, если положение стоп-зон для рассматриваемых наноструктур определяется исключительно периодом решетки, то интенсивность, и положение локализованных плазмонов, и, как следствие, соотношение интенсивностей между локализованными и делокализованными плазмонами определяется структурой верхнего слоя (нормированной толщиной).

Будучи одним из видов колебательной спектроскопии, спектроскопия комбинационного рассеяния (КР) света является эффективным неразрушающим методом аналитического обнаружения и исследования строения веществ и отдельных молекул, поскольку набор частот колебаний связей - специфическая информация для каждого соединения, однозначно связанная со структурой

определяемых объектов. Однако регистрация сигнала КР является сложной задачей

^ 12 в связи с его малой интенсивностью: только один фотон из примерно 10

исходных фотонов рассеивается неупруго и вносит вклад в спектр КР. В этой связи

(А)

1.1.2. Сенсорные свойства инвертированных опалов

(ГКР спектроскопия)

для анализа разбавленных растворов актуальным становится усиление сигнала КР при помощи эффекта гигантского комбинационного рассеяния (ГКР).

Эффект ГКР заключается в многократном усилении сигнала комбинационного рассеяния молекул, адсорбированных на поверхности подложек, содержащих наночастицы благородных металлов Аи и Ag, на которых в результате лазерного облучения возникает явление поверхностного плазмонного резонанса (ППР), способствующего усилению электромагнитного поля вокруг частиц. Спектроскопия ГКР является универсальным методом для анализа структуры различных веществ, в том числе и отдельных молекул в составе живых клеток. Главным рабочим элементом оптических сенсоров в этом случае служит так называемая ГКР-активная подложка, поверхность которой декорирована наночастицами Au или Ag, обладающих наличием плазмонных мод в видимой области спектра.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мартынова Наталья Александровна, 2022 год

5. Список литературы

1. Inoue M., Levy M., Baryshev A.V. Magnetophotonics: From Theory to Applications. // Springer Series in Materials Science, 2013, v. 178, p. 237.

2. Ankudzea B., Philipa A., Pakkanena T., Matikainen A., Vahimaa P. Highly active surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrates based on gold nanoparticles in filtrated into SiO2 inverse opals. // Applied Surface Science, 2016, v. 387, pp. 595 - 602.

3. Gordon R.G. Criteria for Choosing Transparent Conductors. // Transparent Conducting Oxides, 2000, v. 25, № 8, pp. 52 - 57.

4. Morales-Masis M., Wolf S.D., Woods-Robinson R., Ager J.W., Ballif C. Transparent Electrodes for Efficient Optoelectronics. // Adv. Electron. Mater., 2017, v. 1600529, pp. 1 - 17.

5. Baryshev A. V., Kaplyanskii A. A., Kosobukin V. A., Samusev K. B., Usvyat D. E., Limonov M. F. Photonic band-gap structure: From spectroscopy towards visualization. // Physical Review B, 2004, v. 70, № 113104, pp. 1 - 4.

6. Kelf T.A., Sugawara Y., Cole R.M., Baumberg J.J., Abdelsalam M.E., Cintra S., Mahajan S., Russell A.E., Bartlett P.N. Localized and delocalized plasmons in metallic nanovoids. // Phys. Rev. B, 2006, v. 74, № 24, pp. 245415.

7. Ghosh D., Chattopadhyay N. Gold nanoparticles: acceptors for efficient energy transfer from the photoexcited fluorophores. // Optics and Photonics Journal, 2013, v. 3, pp. 18 - 26.

8. Ringe E., Langille M., Sohn K., Zhang J., Huang J., Mirkin C., Van Duyne R.P., Marks L. Plasmon length: a universal parameter to describe size effects in gold nanoparticles. // J. Phys. Chem. Lett., 2012, v. 3, pp. 1479 - 1483.

9. Xiaohua H., El-Sayed M.A. Gold nanoparticles: Optical properties and implementations in cancer diagnosis and photothermal therapy. // Journal of Adv. Research, 2010, v. 1, pp. 13 - 28.

10. Abdallah T., El-Brolosy T.A., Mohamed M. B., Easawi K., Negmc S., Talaat H. Effect of shape and interstice on surface enhanced Raman scattering (SERS) of molecules adsorbed on gold nanoparticles in the near-dipole and quadrupole regions. // J. Raman Spectrosc., 2012, v. 43, № 12, pp. 1924 - 1930.

11. Baik H.J., Hong S., Park S. Surface plasmon modes of gold nanospheres, nanorods, and nanoplates in an organic solvent: Phase-transfer from aqueous to organic media. // Journal of Colloid and Interface Science, 2011, v. 358, pp. 317 - 322.

12. Ishizaka T., Ishigaki A., Kawanami H., Suzuki A., Suzuki T. Dynamic control of gold nanoparticle morphology in a microchannel flow reactor by glucose reduction in aqueous sodium hydroxide solution. // Journal of Colloid and Interface Science, 2012, v. 367, pp. 135 - 138.

13. Климов В.В. Наноплазмоника. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009, 480 с.

14. Майер С.А. Плазмоника: теория и приложения. - М. - Ижевск, 2011, 296 с.

15. Fleischmann M., Hendra P. J., McQuillan A. J. Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode. // Chem. Phys. Lett., 1974, v. 26, pp. 163 - 166.

16. Jeanmaire D. L., Van Duyne R. P. Surface Raman spectroelectrochemistry. Part I. Heterocyclic, aromatic, and aliphatic amines adsorbed on the anodized silver electrode. // J. Electroanal. Chem., 1977, v. 84, pp. 1 - 20.

17. Albrecht M. G., Creighton J. A. Anomalously intense Ramanspectra of pyridine at a silver electrode. // J. Am. Chem. Soc., 1977, v. 99, pp. 5215 - 5217.

18. Ru E.L., Etchegoin P. Principles of Surface Enhanced Raman Spectroscopy and Related Plasmonic Effects. // Elsevier, 2009

19. Smith E., Dent G. Modern raman spectroscopy - a practical approach. // John Wiley & Sons, 2005, v. 210.

20. Moskovits M. Surface-enhanced spectroscopy. // Reviews of Modern Physics, 1985, v. 57, № 3, pp. 783 - 828.

21. Campion, A., Kambhampati P. Surface-enhanced Raman scattering. // Chemical Society Reviews, 1998, v. 27, pp. 241 - 250.

22. Otto A. Surface-enhanced Raman scattering. // J. Phys.: Condens Matter, 1992, v. 4, № 5, pp. 1143 - 1212.

23. Акципетров О.А. Гигантские нелинейно-оптические явления на поверхности металлов. // Соросовский образовательный журнал, 2001, v. 7, № 7, c. 109 - 116.

24. Chris D. Geddes. Review in plasmonics. // Springer, 2015, pp. 453.

25. Vo-Dinh T., Liu Y., Crawford B. M., Wang H. N., Yuan H., Register J. K., Khoury C. G. Shining Gold Nanostars: From Cancer Diagnostics to Photothermal Treatment and Immunotherapy. // J Immunol Sci., 2018, v. 2, № 1, pp. 1 - 8.

26. Harris N., Arnold M. D., Blaber M. G., Ford M. J. Plasmonic Resonances of Closely Coupled Gold Nanosphere Chains. // J. Phys. Chem. C, 2009, v. 113, pp. 2784 -2791.

27. Miguez H., Meseguer F., Lopez C., Blanco A., Moya J.S., Requena J., Mifsud A., Fornes V. Control of the photonic crystal properties of fcc-packed submicrometer SiO2 spheres by sintering. // Adv. Mater, 1998, v. 10, № 6, pp. 480 - 483.

28. Dziomkina N. V., Hempenius M. A., Vancso G. J. Layer-by-layer templated growth of colloidal crystals with packing and pattern control. // Colloids Surf., 2009, v. 342, № 1 - 3, pp. 8 - 15.

29. Yan H. T., Wang M., Ge Y. X., Yu P. Applied electric field to fabricate colloidal crystals with the photonic band-gap in communication waveband. // Chinese Physics B, 2009, v. 18, № 6, pp. 2389 - 2392.

30. Napolskii K. S., Sapoletova N. A., Gorozhankin D. F., Eliseev A. A., Chernyshov D. Yu., Byelov D. V., Grigoryeva N. A., Mistonov A. A, Bouwman W. G., Kvashnina K. O., Lukashin A. V., Snigirev A. A., Vassilieva A. V., Grigoriev S. V., Petukhov A. V. Fabrication of Artificial Opals by Electric-Field-Assisted Vertical Deposition. // Langmuir, 2010, v. 26, № 4, pp. 2346 - 2351.

31. Cole R.M., Baumberg J.J., Garcia de Abajo F. J., Mahajan S., Abdelsalam M.E., Bartlett P.N. Understanding plasmons in nanoscale voids. // Nano Let., 2007, v. 7, № 7, pp. 2094 - 2100.

32. Cintra S., Abdelsalam M.E., Bartlett P.N., Baumberg J.J., Kelf T.A., Sugawara Y., Russell A.E. Sculpted substrates for SERS. // Faraday Discuss., 2006, v. 132, pp. 191 -199.

33. Mahajan S., Abdelsalam M.E., Sugawara Y., Cintra S., Russell A.E., Baumberg J.J., Bartlett P.N. Tuning plasmons on nano-structured substrates for NIR-SERS. // Phys. Chem. Chem. Phys., 2007, v. 9, pp. 104 - 109.

34. Tognalli N.G., Fainstein A., Calvo E.J., Abdelsalam M.E., Bartlett P.N. Incident Wavelength Resolved Resonant SERS on Au Sphere Segment Void (SSV) Arrays. // J. Phys. Chem. C, 2012, v. 116, pp. 3414 - 3420.

35. Буркат К.Г. Серебрение, золочение, палладирование и родирование. - Л.: Машиностроение, 1984, 86 с.

36. Ямпольский А.М. Электролитическое осаждение благородных и редких металлов. Л.: Машиностроение, 1977, 96 с.

37. Dimitrijevic S., Rajcic-Vujasinovic M., Trujic V. Non-Cyanide Electrolytes for Gold Plating. // Int. J. Electrochem. Sci., 2013, v. 8, pp. 6620 - 6646.

38. Estrine E. C., Riemer S., Venkatasamy V., Stadler B. J., Tabakovic I. Mechanism and stability study of gold electrodeposition from thiosulfate-sulfite solution. // J. Electrochem. S., 2014, v. 161, № 12, pp. 687 - 696.

39. Sun F., Cai W., Li Y., Cao B., Lu F., Duan G., Zhang L. Morphology control and transferability of ordered through-pore arrays based on electrodeposition and colloidal monolayers. // Adv. Mater., 2004, v. 16, № 13, pp. 1116 - 1121.

40. Bartlett P.N., Baumberg J.J., P.R. Birkin, Ghanem M.A., Netti M.C. Highly Ordered Macroporous Gold and Platinum Films Formed by Electrochemical Deposition through Templates Assembled from Submicron Diameter Monodisperse Polystyrene Spheres. // Chem. Mater., 2002, v. 145, pp. 2199 - 2208.

41. Heim M., Reculusa S., Ravaine S., Kuhn A. Engineering of complex macroporous materials through controlled electrodeposition in colloidal superstructures. // Adv. Funct. Mater., 2012, v. 22, pp. 538 - 545.

42. Wijnhoven J.E.G.J., Zevenhuizen S.J.M., Hendriks M.A., Vanmaekelbergh D., Kelly J.J., Vos W.L. Electrochemical assembly of ordered macropores in gold. // Adv. Mater., 2000, v.12, № 12, pp. 888 - 890.

43. Wang J., Duan G., Liu G., Li Y., Dai Z., Zhang H., Cai W. Gold quasi rod-shaped nanoparticle-built hierarchically micro/nanostructured pore array via clean electrodeposition on a colloidal monolayer and its structurally enhanced SERS performance. // J. Mater. Chem., 2011, v. 21, pp. 8816 - 8821.

44. Johnson R.P., Mahajan S., Abdelsalam M.E., Cole R.M., Baumberg J.J., Russell A.E., Bartlett P.N. SERS from two-tier sphere segment void substrates. // Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, v. 13, pp. 16661 - 16665.

45. Morko? H., Ozgur U. Zinc Oxide. Fundamentals, materials and device technology. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2009, p. 488.

46. Wang H., Li K., Tao Y., Li J., Li Y., Gao L.-L., Jin G.-Y., Duan Y. Smooth ZnO:Al - AgNWs Composite Electrode for Flexible Organic Light- Emitting Device. // Nanoscale Research Letters, 2017, v. 12, № 77, pp. 1 - 7.

47. Lee S.-H., Han S.-H., Jung H. S., Shin H., Lee J., Noh J-H., Lee S., Cho I-S., Lee J.-K. Al-Doped ZnO Thin Film: A New Transparent Conducting Layer for ZnO Nanowire-Based Dye-Sensitized Solar Cells. // J. Phys. Chem. C, 2010, 114, pp. 7185 -7189.

48. Treharne R.E., Hutchings K., Lamb D. A., Irvine S.J.C., Lane D., Durose K. Combinatorial optimization of Al-doped ZnO films for thin-film photovoltaics. // J. Phys. D: Appl. Phys., 2012, v. 45, № 335102, pp. 1 - 8.

49. Pathirane M. K., Khaligh H.H., Goldthorpe I.A., Wong W.S. Al-doped ZnO/Ag-nanowire Composite Electrodes for Flexible 3-Dimensional Nanowire Solar Cells. // Scientific Reports (Nature Publishing Group), 2017, pp. 1 - 7.

50. Li X., Ye W., Zhou X., Huang F., Zhong D. Increased efficiency for perovskite photovoltaics based on aluminum-doped zinc oxide transparent electrodes via surface modification. // J. Phys. Chem. C, 2017, v. 121, pp. 10282 - 10288.

51. Pradhan A. K, Mundle R. M., Santiago K., Skuza J. R., Xiao B.S., Bahoura M., Cheaito R., Hopkins P. E. Extreme tunability in aluminum doped Zinc Oxide plasmonic materials for near-infrared applications. // Scientific Reports (Nature Publishing Group), 2014, pp. 19 - 21.

52. Rahman B.M.A., Bhattacharjee R., Kejalakshmy N.T. Design and optimization of an Al doped ZnO in Si-slot for gas sensing design and optimization of an Al doped ZnO in Si-slot for gas sensing. // IEEE Photonics Journal, 2018, v. 10, № 4, pp. 1 - 10.

53. Baruah A., Jindal A., Acharya C. Microfluidic reactors for the morphology controlled synthesis and photocatalytic study of ZnO nanostructures. // J. Micromech. Microeng., 2017, v. 27, № 035013, pp. 1 - 6.

54. Azzouz I., Habba Y. G., Capochichi-Gnambodoe M., Marty F., Vial J. Zinc oxide nano-enabled microreactor for water purification and its applicability to volatile organic compounds. // Microsystems & Nanoengineering (Nature Publishing Group), 2018, v. 4, 17093, pp. 1 - 7.

55. Gerstl M., Hutterer A., Fleig J., Bram M., Karl A. Model composite microelectrodes as a pathfinder for fully oxidic SOFC anodes. // Solid State Ionics, 2016, v. 298, pp. 1 - 8.

56. Ellmer K. Transparent Conductive Zinc Oxide and Its Derivatives. // Handbook of transparent conductors, edited by D.S. Ginley, H. Hosono, D.C. Paine, New York: Springer, 2010, p. 193 - 263.

57. Anderson Janotti, Chris G Van de Walle. Fundamentals of zinc oxide as a semiconductor. // Rep. Prog. Phys., 2009, v. 72, № 126501, pp. 1 - 29.

58. Hichou A, Diliberto S, Stein N. Influence of the aluminum incorporation on the properties of electrodeposited ZnO thin films. Surface & Coatings Technology, 2015, v.270, pp. 236 - 242.

59. Baka O., Azizi A., Velumani S., Schmerber G., Dinia A. Effect of Al concentrations on the electrodeposition and properties of transparent Al-doped ZnO thin films. // J Mater Sci: Mater Electron, 2014, v. 25, pp. 1761 - 1769.

60. Aragones A.C., Palacios-Padros A. et al. Study and improvement of aluminium doped ZnO thin films: Limits and advantages. // Electrochimica Acta, 2013, v. 109, pp. 117 - 124.

61. Tsin F., Venerosy A., Vidal J., Collin S., Clatot J., Lombez L., Rousset J. Electrodeposition of ZnO window layer for an all-atmospheric fabrication process of chalcogenide solar cell. // Scientific Reports, 2015, 5 (8961), pp. 1 - 8.

62. Pruna A., Pullini D., Busquets D. Effect of AZO film as seeding substrate on the electrodeposition and properties of Al-doped ZnO nanorod arrays. // Ceramics International, 2015, v. 41, pp. 14492 - 14500.

63. Shan F.K., Yu Y.S. Band gap energy of pure and Al-doped ZnO thin films. // Journal of the Europein Ceramic Society, 2004, v. 24, pp. 1868 - 1872.

64. Hou Q., Meng F., Sun J. Electrical and optical properties of Al-doped ZnO and ZnAl2O4 films prepared by atomic layer deposition. // Nanoscale Research Letters, 2013, v. 8 (144), pp. 1 - 8.

65. C.-H. Zhai, R.-J. Zhang, X. Chen, Y.-X. Zheng, S.-Y. Wang, J. Liu, N. Dai, Chen L.-Y. Effects of Al Doping on the Properties of ZnO Thin Films Deposited by Atomic Layer Deposition. // Nanoscale Research Letters, 2016, v. 11 (407), pp. 1 - 8.

66. A. Tello, H. Gomez, E. Munoz, G. Riveros, C. J. Pereyra, E. A. Dalchiele, R. E. Marottic. Electrodeposition of Nanostructured ZnO Thin Films from Dimethylsulfoxide Solution: Effect of Temperatures on the Morphological and Optical Properties. // Journal of The Electrochemical Society, 2012, v. 159 (12), pp. 750 - 755.

67. Trindade N.M., Chaves M., Bortoleto J., Tabata A., Silva J. Optical and Structure Analysis of ZnO:Al Film. //American Journal of Engineering and Applied Sciences, 2017, v. 10 (4), pp. 790 - 798.

68. Azizaha N., Muhammadya S., Purbayantoa M., Nurfanib E., Winataa T., Sustinia E., Widitaa R., Darmaa Y. Influence of Al doping on the crystal structure, optical properties, and photodetecting performance of ZnO film. // Progress in Natural Science: Materials International, 2020, v. 30, pp. 28 - 34.

69. Sarma J., Rahman A., Jayaganthan R., Chowdhury R., Haranath D. Al-doped ZnO nanostructured thin films density functional theory and experiment. // International Journal of nanoscience, 2015, v. 14, № 4, 1550015, pp. 1 - 12.

70. Kang D., Lee D., Choi K.-S. Electrochemical Synthesis of Highly Oriented, Transparent, and Pinhole-Free ZnO and Al-Doped ZnO Films and Their Use in Heterojunction Solar Cells. // Langmuir, 2016, v. 32(41), pp. 10459 - 10466.

71. Mazilu M., Tigau N., Musat V. Optical properties of undoped and Al-doped ZnO nanostructures grown fromaqueous solution on glass substrate. // Optical Materials, 2012, v. 34 , pp. 1833 - 1838.

72. Raviendra D., Sharma J. Electroless deposition of cadmium stannate, zinc oxide, and aluminum-doped zinc oxide films. // Journal of Applied Physics, 1985, v. 58, 838.

73. Peulon S., Lincot D. Cathodic Electrodeposition from Aqueous Solution of Dense or Open-Structured Zinc Oxide Films. // Adv. Mater., 1996, v. 8, № 2, pp. 166 - 170.

74. Schmidt-Mende L., MacManus-Driscoll J.L. ZnO - nanostructures, defects, and devices // Mater. Today, 2007, v. 10, pp. 40 - 48.

75. Hagemark K.I., Toren P.E. Determination of Excess Zn in ZnO. The Phase Boundary Zn-Zn1+xO. // J. Electrochem. Soc., 1975, v. 122, pp. 992 - 994.

76. Lima S.A.M., Sigoli F.A.; Jafelicci M., Davolos M.R. Luminescent properties of lattice defect correlation in zinc oxide. // Int. J. Inorg. Mater., 2001, v. 3, pp. 749 - 754.

77. Lin, B.; Fu, Z.; Jia, Y. Green luminescence centers in un-doped ZnO film deposited on Silicon substrate. // Appl. Phys. Lett., 2001, v. 79, pp. 943 - 945.

78. Nikitenko, V. Optical and Spectroscopy of Point Defects in Zinc Oxide. // Springer: Dordrecht, the Netherland, 2005; p. 69.

79. Van de Walle, C.G. Hydrogen as a doping cause n ZnO. // Phys. Rev. Lett., 2000, v. 85, pp. 1012 - 1015.

80. Janotti A., van de Walle, C.G. Native point defects in ZnO. // Phys. Rev. B, 2007, v. 76, pp. 165202 - 165222.

81. Zwingel, D. Trapping and recombination processes in the thermoluminscence of Li-doped ZnO single crystal. // J. Lumin., 1972, v. 5, pp. 385 - 405.

82. Schirmer O.F.; Zwingel, D. The yellow luminescence of ZnO. // Sol. Stat. Commun. 1970, v. 8, pp. 1559 - 1563.

83. Thandavan T.M., Gani S.M., Wong C.S., Nor R.M. Enhanced Photoluminescence and Raman Properties of Al-Doped ZnO Nanostructures Prepared Using Thermal Chemical Vapor Deposition of Methanol Assisted with Heated Brass. // Plos one, 2015, v. 10, № 5, 0126189, pp. 1 - 18.

84. Teke A., Özgür Ü., Dogan S. Excitonic fine structure and recombination dynamics in single-crystalline ZnO. // Physical Review B, 2004, v. 70, № 195207, pp. 1 - 10.

85. Djurisic, A.B.; Leung, Y.H.; Tam, K.H.; Ding, L.; Ge, W.K.; Chen H.Y.; Gwo, S. Green yellow and orange defect emission from ZnO nanostructures: Influence of excitation wavelength. Appl. Phys. Lett. 2006, v. 88, 103107.

86. Azizah N., Muhammady S., Abiyyu M., Purbayanto K., Nurfani E., Winata T., Sustini E., Widita R., Darma Y. Influence of Al doping on the crystal structure, optical properties, and photodetecting performance of ZnO film. // Progress in Natural Science: Materials International, 2020, v. 30, pp. 28 - 34.

87. Manoharan C., Pavithra G., Bououdina M., Dhanapandian S., Dhamodharan P. Characterization and study of antibacterial activity of spray pyrolysed ZnO:Al thin films. // Applied Nanoscience, 2016, v. 6, № 6, pp. 815 - 825.

88. Berhard C. G. Structural and functional adaption in a visual system. // Endeavor, 1967, v. 26, pp. 79 - 84.

89. Stephens R., Cody G. Optical reflectance and transmission of a textured surface. // Thin Solid Films, 1977, v. 45, pp. 19 - 29.

90. Wassermann, E. F. et al. Fabrication of large scale periodic magnetic nanostructures. // J. Appl. Phys., 1998, v. 83, pp. 1753 - 1757.

91. Zhu J. et al. Optical absorption enhancement in amorphous silicon nanowire and nanocone arrays. // Nano Letters, 2009, v. 9, pp. 279 - 282.

92. Müller J., Rech B., Springer J., Vanecek M. TCO and light trapping in silicon thin film solar cells. // Sol. Energy, 2004, v. 77, pp. 917 - 930.

93. Grandidier J., Callahan D. M., Munday J. N., Atwater H. A. Light absorption enhancement in thin-film solar cells using whispering gallery modes in dielectric nanospheres. // Adv. Mater., 2011, v. 23, pp. 1272 - 1276.

94. Mavrokefalos A., Han S. E., Yerci S., Branham M. S., Chen G. Efficient light trapping in inverted nanopyramid thin crystalline silicon membranes for solar cell applications. // Nano Letters, 2012, v. 12, pp. 2792 - 2796.

95. Han S. E., Chen G. Optical absorption enhancement in silicon nanohole arrays for solar photovoltaics. // Nano Letters, 2010, v. 10, pp. 1012 - 1015.

96. Garnett E., Yang P. Light trapping in silicon nanowire solar cells. // Nano Lett., 2010, v. 10, pp. 1082 - 1087.

97. Yoshinaga S., Ishikawa Y., Araki S., Honda T., Jiang Y., Uraoka Y. Numerical analysis of monocrystalline silicon solar cells with fine nanoimprinted textured surface. // Jpn. J. Appl. Phys., 2017, v. 56, № 022301, pp. 1 - 7.

98. Z. Diao, J. Hirte, W. Chen, J. P. Spatz. Inverse Moth Eye Nanostructures with Enhanced Antireflection and Contamination Resistance. // ACS Omega, 2017, v. 2, pp. 5012 - 5018.

99. Wang M., Wang X. Electrodeposition zinc-oxide inverse opal and its application in hybrid photovoltaics. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2008, v. 92, № 3, pp. 357 - 362.

100. M. Scharrer, X. Wu, A. Yamilov, H. Cao, R. P. H. Chang. Fabrication of inverted opal ZnO photonic crystals by atomic layer deposition. // Appl. Phys. Lett., 2005, v. 86, № 151113, pp. 1 - 3.

101. D.-K., Noh H., Cao H., Chang R.P.H. Photonic bandgap engineering with inverse opal multistacks of different refractive index contrasts. // Appl. Phys. Lett., 2009, v. 95, № 091101, pp. 1 - 3.

102. Scharrer M., Noh H., Wu X., Anderson M.A., Yamilov A., Hui Cao, Chang R.P.H. Five-fold reduction of lasing threshold near the first TL-pseudogap of ZnO inverse opals. // Journal of Optics, 2010, v. 12, № 024007, pp. 1 - 5.

103. Hichou A, Diliberto S, Stein N. Influence of the aluminum incorporation on the properties of electrodeposited ZnO thin films. Surface & Coatings Technology, 2015, v. 270, pp. 236 - 242.

104. Amrani A., Hijazi F., Lucas B., Bouclé J., Aldissi M. Electronic transport and optical properties of thin oxide films. // Thin Solid Films, 2010, v. 518, № 16, pp. 4582 -4585.

105. D. P. Norton, Y. W. Heo, M. P. Ivill, K. Ip, S. J. Pearton, M. F. Chisholm and T. Steiner. ZnO: Growth, Doping & Processing. // Materials Today, 2004, v. 7, № 6, pp. 34 - 40.

106. Kavasoglu N., Kavasoglu A. Metal-semiconductor transition in undoped ZnO filmsdeposited by spray pyrolysis. // Physica B, 2008, 403, pp. 2807-2810.

107. Smirnov M., Rambu A.P., Baban C., Rusu G.I. Electronic Transport Properties in Pollycrystalline ZnO Thin Films. // Journal of Advanced Research in Physics, 2010, v. 1(2), 021011.

108. Seto J.Y.W. The electrical properties of polycrystalline silicon films. // J. Appl. Phys., 46, 1975, p. 5247.

109. Seager C.H., Castner T.G. Zero-bias resistance of grain boundaries in neutron-transmutation-doped polycrystalline silicon. // J. Appl. Phys, 1978, v. 49, p. 3879.

110. Hou Q., Meng F., Sun J. Electrical and optical properties of Al-doped ZnO and ZnAl2O4 films prepared by atomic layer deposition. // Nanoscale Research Letters, 2013, v. 8, № 144, pp. 1 - 8.

111. Serier H., Demourgues A., Gaudon M. Investigation of Ga Substitution in ZnO Powder and Opto-Electronic Properties. // Inorg. Chem., 2010, v. 49, p. 6853 - 6858.

112. Castañeda L., Maldonado A., Vega Pérez J., de la L. Olvera M., Torres-Torres C. Electrical and optical properties of nanostructured indium doped zinc oxide thin films deposited by ultrasonic chemical spray technique, starting from zinc acetylacetonate and indium chloride. // Mat. Sci. Semicon. Proc., 2014, v. 26, p. 288 - 293.

113. E.M. Levin, Phase Diagrams for Ceramists. // American Ceramic Society, 1964.

114. Phase diagrams Database, http://www.factsage.com/

115. Торопов Н.А. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Выпуск первый. Двойные системы / Н.А. Торопов, В.П. Барзаковский, В.П. Лапин, В.В. Курцева // Л.: Наука. - 1969. - 822 с.

116. Reyes Tolosa M.D., Orozco-Messana J., Lima A. N. C., Camaratta R., Pascual M., Hernandez-Fenollosa M.A. Electrochemical deposition mechanism for ZnO nanorods:

diffusion coefficient and growth models, Journal of The Electrochemical Society, 2011, Vol. 158, No. 11, pp. 107 - 110.

117. Ramírez D., Silva D., Gómez H., Riveros G., Marotti R.E., Dalchiele E.A. Electrodeposition of ZnO thin films by using molecular oxygen and hydrogen peroxide as oxygen precursors: Structural and optical properties. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2007, v. 91, № 15, pp. 1458 - 1461.

118. Illy B., Shollock B.A., MacManus-Driscoll J.L., Ryan M.P. Electrochemical growth of ZnO nanoplates, Nanotechnology, 2005. v. 16, pp. 320 - 324.

119. Sulciüté A., Valatka E. Electrodeposition and Photoelectrocatalytic Activity of ZnO Films on AISI 304 Type Steel. Materials Science (Medziagotyra), 2012, v. 18, № 4. pp. 318 - 324.

120. Inamdar A. I., Mujawar S. H., Barman S. R., Bhosale P. N., Patil P. S. The effect of bath temperature on the electrodeposition of zinc oxide thin films via an acetate medium. // Semicond. Sci. Technol., 2008, v. 23, № 085013, pp. 1 - 6.

121. Degen A., Kosec M. Effect of pH and impurities on the surface charge of zinc oxide in aqueous solution. // Journal of the European Ceramic Society, 2000, v. 20, № 6, pp. 667 - 673.

122. Guichet X., Zuddas P. Effect of secondary minerals on electrokinetic phenomena during water-rock interaction. // Geophysical Research Letters, 2003, v. 30, № 13, pp. 1 -4.

123. Weng J., Zhang Y., Han G., Zhang Y., Xu L., Xu J., Huang X. Chen, K. Electrochemical deposition and characterization of wide band semiconductor ZnO thin film. Thin Solid Films, 2005, v. 478, № 2, pp. 25 -29.

124. G. Panzeri, D. Muller, A. Accogli, E. Gibertini, E. Mauri, F. Rossi, L. Nobili, L. Magagnin. Zinc electrodeposition from a chloride-free non-aqueous solution based on ethylene glycol and acetate salts. // Electrochimica Acta, 2019, v. 296, pp. 465 - 472.

125. Tuaweri T.J., Adigio E.M., Jombo P.P. A study of process parameters for zinc electrodeposition from a sulphate bath, International Journal of Engineering Science Invention, 2013, Vol. 2, No. 8, pp.17 - 24.

126. Sanchez S., Lévy-Clément C., Ivanova V. Electrochemical Deposition of ZnO Thin Films and Nanowires for Photovoltaic Applications. // J. Electrochem. Soc., 2012, v. 159, № 12, pp. 705 - 712.

127. Li G.-R., Lu X.-H., Qu D.-L., Yao C.-Z., Zheng F.-L., Bu Q., Dawa C.-R., Tong Y.-X. Electrochemical growth and control of ZnO dendritic structures, J. Phys. Chem. C, 2007, Vol. 111, pp. 6678 - 6683.

128. Xu C., Lee J.-H., Lee J.-C., Kim B.-S., Hwang S.W., Whang D. Electrochemical growth of vertically aligned ZnO nanorod arrays on oxidized bi-layer graphene electrode, CrystEngComm, 2011, v. 13, pp. 6036 - 6039.

129. Gal D., Hodesa G., Lincot D., Schock H.-W. Electrochemical deposition of zinc oxide films from non-aqueous solution: a new buffer/window process for thin film solar cells. Thin Solid Films, 2000, v. 361-362, pp. 79-83.

130. Gomez H., Riveros G., Ramirez D., Henriquez R., Schrebler R., Marotti R., Dalchiele E. Growth and characterization of ZnO nanowires arrays electrodeposited into anodic alumina templates in DMSO solution. J. Solid State Electrochem., 2012, v. 16, pp. 197 - 204.

131. Riveros G., Ramírez D., Tello A., Schrebler R., Henríquez R., Gómez H. Electrodeposition of ZnO from DMSO solution: Influence of anion nature and its concentration in the nucleation and growth mechanisms. J. Braz. Chem. Soc., 2012, v. 23, № 3, pp. 505 - 512.

132. Wang Q., Wang G., Xu, B., Jie, J., Han X., Li G., Li Q., Hou J. G. Non-aqueous cathodic electrodeposition of large-scale uniform ZnO nanowire arrays embedded in anodic alumina membrane. Materials Letters, 2005, v. 59, № 11, pp. 1378 - 1382.

133. Kang D., Lee D., Choi K.-S. Electrochemical synthesis of highly oriented, transparent, and pinhole-free ZnO and Al-doped ZnO films and their use in heterojunction solar cells. Langmuir, 2016, v. 32, pp. 10459 - 10466.

134. Juarez B.H., Lopez C., Alonso C. Formation of Zinc Inverted Opals on Indium Tin Oxide and Silicon Substrates by Electrochemical Deposition. // J. Phys. Chem. B, 2004, v. 108, pp. 16708 - 16712.

135. Wang M., Wang X. Electrodeposition zinc-oxide inverse opal and its application in hybrid photovoltaics. // Solar Energy Materials and Solar Cells, 2008, v. 92, № 3, pp. 357 - 362.

136. Zhang L., Reisner E., Baumberg J.J. Al-doped ZnO inverse opal networks as efficient electron collectors in BiVO4 photoanodes for solar water oxidation. // Energy Environ. Sci., 2014, v. 7, pp. 1402 - 1408.

137. Goodwin J.W., Hearn J., Ho C.C., Ottewill R.H. Studies on the preparation and characterisation of monodisperse polystyrene laticee. // Coll. and Polym. Sci., 1974, v. 252, №.6, pp. 464 - 471.

138. Wood R.W. Anomalous diffraction gratings. // Phys.Rev, 1935, v. 48, № 12, pp. 928 - 936.

139. Grunin A., Zhdanov A., Ezhov A., Ganshina E., Fedyanin A. Surface-plasmon-induced enhancement of magneto-optical Kerr effect in all-nickel subwavelength nanogratings. // Appl. Phys. Lett, 2010, v. 97, № 26.

140. Ropers C., Stibenz G., Steinmeyer G., Mueller R., Park D., Lee K., Kihm J., Kim J., Park Q., Kim D., Lienau C. Ultrafast dynamics of surface plasmon polaritons in plasmonic metamaterials. // Appl. Phys. B: Lasers Opt, 2006, v. 84, № 1-2, pp. 183 -189.

141. Refractive Index Database, http://refractiveindex.info/.

142. Sapoletova N., Makarevich T., Napolskii K. et al. Key geometric parameters of metallic inverse opals and the controllability of electrodeposition technique. // Phys. Chem. Chem. Phys., 2010, v. 12, № 47, pp. 15414 - 15422.

143. Cole R.M., Baumberg J.J., Garcia de Abajo F. J., Mahajan S., Abdelsalam M.E., Bartlett P.N. Understanding plasmons in nanoscale voids. // Nano Lett., 2007, v. 7, № 7, pp. 2094-2100.

144. Tognalli N.G.,' Fainstein A., Calvo E.J., Abdelsalam M.E., Bartlett P.N. Incident Wavelength Resolved Resonant SERS on Au Sphere Segment Void (SSV) Arrays. // J. Phys. Chem. C, 2012, v. 116, pp. 3414 - 3420.

145. Baumberg J.J., Kelf T.A., Sugawara Y., Cintra S., Abdelsalam M.E., Bartlett P.N., Russell A.E. Angle-resolved surface-enhanced Raman scattering on metallic nanostructured plasmonic crystals. // Nano Lett., 2005, v. 5, № 11, pp. 2262-2267.

146. Bartlett P.N., Baumberg J.J., Coyle S., Abdelsalam M.E. Optical properties of nanostructured metal films. // Faraday Discuss., 2004, v. 125, pp. 117-132.

147. Kelf T.A., Sugawara Y., Baumberg J.J., Abdelsalam M.E., Bartlett P.N. Plasmonic band gaps and trapped plasmons on nanostructured metal surfaces. // PRL, 2005, v. 95, № 116802, pp. 1 - 4.

148. Hildebrandt P., Stockburger M. Surface-Enhanced resonance Raman spectroscopy of rhodamine 6G adsorbed on colloidal silver. // J. Phys. Chem., 1984, v. 88, pp. 59355944.

149. Xiao G.-N., Man S.-Q. Surface-enhanced Raman scattering of methylene blue adsorbed on cap-shaped silver nanoparticles. // Chemical Physics Letters, 2007, v. 447, pp. 305-309.

150. Liuab H., Yang Q. A two-step temperature-raising process to gold nanoplates with optical and surface enhanced Raman spectrum properties. // CrystEngComm, 2011, v. 13, pp. 2281-2288.

151. Brazhe N.A., Abdali S., Brazhe A. R., Luneva O. G., Bryzgalova N. Y., Parshina E.Y., Sosnovtseva O. V., Maksimov G. V. New Insight into Erythrocyte through In Vivo Surface-Enhanced Raman Spectroscopy// Biophysical Journal, v. 97, № 12, pp. 3206 -3214.

152. Hess A., Kemnitz E., Lippitz A., Unger W.E.S., Menz D.-H. ESCA, XRD, and IR characterization of aluminum oxide, hydroxyfluoride, and fluoride surfaces in correlation with their catalytic activity in heterogeneous halogen exchange reactions. // J. Catal., 1994, 148, pp. 270 - 280.

153. Liu Z., Jin Z., Qiu J., Liu X., Wu W., Li W. Preparation and characteristics of ordered porous ZnO films by electrodeposition method. // Semicond. Sci. Technol., 2006, v. 21, pp. 60 - 66.

154. O'Dell L. A., Savin S. L. P., Chadwick A. V., Smith M. E. A 27Al MAS NMR study of a sol-gel produced alumina: Identification of the NMR parameters of the 0-Al2O3 transition alumina phase. // Solid State Nuclear Magnetic Resonance, 2007, v. 31, № 4, pp. 169 - 173.

155. J. J. Olivero and R. L. Longbothum. Empirical fits to the Voigt line width: A brief review. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf., 1977, v. 17, № 2, pp. 233 - 236.

156. Hess A., Kemnitz E., Lippitz A., Unger W.E.S., Menz D.-H. ESCA, XRD, and IR characterization of aluminum oxide, hydroxyfluoride, and fluoride surfaces in correlation with their catalytic activity in heterogeneous halogen exchange reactions. // J. Catal., 1994, v. 148, pp. 270 - 280.

157. Fu, S.-W., Chen, H.-J., Wu, H.-T., Hung, K.-T., & Shih, C.-F. Electrical and optical properties of Al:ZnO films prepared by ion-beam assisted sputtering. // Ceramics International, 2016, v. 42, № 2, pp. 2626 - 2633.

158. Tang, J.-F., Lu, Y.-M., & Chu, S.-Y. The growth of AZO nanostructures with high doping concentration using vertical reaction layer synthesizing method and their applications. // Sensors and Actuators B: Chemical, 2016, 225, pp. 327 - 333.

159. J.-C. Hsu, Y.-Y. Chen. Comparison of the Optical and Electrical Properties of Al-Doped ZnO Films Using a Lorentz Model. // Coatings, 2019, v. 9, № 4, pp. 1 - 18.

160. Tang J.-F., Lu Y.-M., Chu, S.-Y. The growth of AZO nanostructures with high doping concentration using vertical reaction layer synthesizing method and their applications. // Sensors and Actuators B: Chemical, 2016, v. 225, pp. 327 - 333.

161. V. Gaddam, R. R. Kumar, M. Parmar, G. R. K. Yaddanapudi, M. M. Nayakd, K. Rajanna. Morphology controlled synthesis of Al doped ZnO nanosheets on Al alloy substrate by lowtemperature solution growth method. // RSC Adv., 2015, v. 5, pp. 13519 - 13524.

162. K. Djebaili, Z. Mekhalif, A. Boumaza, A. Djelloul. XPS, FTIR, EDX, and XRD Analysis of Al2O3 Scales Grown on PM2000 Alloy. // Journal of Spectroscopy, 2015, Article ID 868109, pp. 1 - 16.

163. Lin, X. and Chen, M. Fabrication and photo-detecting performance of 2D ZnO inverse opal films. // Appl. Sci., 2016, v. 6, № 259, pp. 1 - 10.

6. Благодарности

Автор выражает благодарность за помощь в подготовке данной работы д.х.н. Маньшиной А.А., к.х.н. Панкину Д.В., д.х.н. Савилову С.В., к.х.н. Саполетовой Н.А., к.х.н. Напольскому К.С., д.ф.-м.н. Лепневу Л.С., д.х.н. Локтевой Е.С., д.х.н. Кнотько А.В., к.х.н. Бойцовой О.В., всему коллективу кафедры наноматериалов факультета наук о материалах МГУ и коллективу лаборатории неорганического материаловедения кафедры неорганической химии химического факультета МГУ. Автор выражает особую благодарность д.х.н. Васильеву С.Ю., д.х.н. Гудилину Е.А. и д.х.н. Шевелькову А.В. за консультирование и ценные советы.

7. Приложение 1 Условные обозначения синтезированных образцов

В работе используется следующая система обозначения синтезированных образцов.

В зависимости от условий получения (электролита и потенциала осаждения), образцы 2п0 и 2п0(А1) с разным содержанием А1 в работе обозначаются как 2п0(А1_х)_еЫЕ, где е - тип электролита (Ы - дополнительный индекс, уточняющий состав ацетатных электролитов, указанных в таблице М), Е - потенциал осаждения.

Инвертированные опалы 10 на основе золота обозначаются как \0_Au_D_k, где к -нормированная толщина опала, D - диаметр микросфер матрицы коллоидного кристалла, поскольку золотые инвертированные опалы синтезировали с использованием матриц с двумя разными периодами структуры.

Инвертированные опалы \0 на основе полупроводника 2п0 и 2п0(Л1) обозначаются как \0_2п0(А1_х)_еЫ_к, еЫ - тип электролита, к - нормированная толщина опала. В данном случае в обозначении образцов не указываются потенциалы осаждения Ли или 2п/2п0(А1_х) в поры матриц коллоидных кристаллов. Стоит отметить, что полупроводниковые инвертированные структуры были получены с использованием матриц коллоидных кристаллов из микросфер с одинаковым диаметром D = 400 нм, синтезированных при одинаковых параметрах, и поэтому в названии не указываются условия получения матрицы и диаметр микросфер.

Для получения инвертированных опалов используются оптимальные потенциалы осаждения для каждого из разработанных составов электролитов. Потенциалы осаждения были выбраны при электрохимическом формировании пленок Ли или 2п/2п0(А1_х) без матриц и заранее оговариваются в тексте как оптимальные и используемые в дальнейшем для получения инвертированных опалов.