ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРИИ

1. Спектроскопия КРС и ИК спектроскопия полупроводниковых наноструктур

Изучение фононного спектра нанопластинок CdSe/CdS методами КРС и ИК спектроскопии

Н.Н. Курусь¹, А.Г. Милёхин^1,2, Р.Б.Васильев³, К.В. Аникин¹, С.А. Бацанов⁴, А.В. Латышев^4,2, D.R.T. Zahn⁵

¹Лаборатория №9
²Новосибирский Государственный университет
³Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
⁴Лаборатория №20
⁵Технический университет г.Хемниц, Германия

Методами ИК спектроскопии и КРС изучен фононный спектр коллоидных наноплателеток CdSe/CdS типа ядро/оболочка с различной толщиной оболочки CdS. Нанопластинки имеют прямоугольную. Форму и латеральные размеры до 100нм и толщины слоев ядра и оболочки в несколько нанометров, как показано на Рис.1а.

Спектры КРС нанопластинок демонстрируют моды продольных оптических фононов (LO) ядра CdSe и поверхностных оптических (SO) фононов в оболочке CdS на частотах 200-210 и 250-290 cm^-1, соответственно (Рис.1b). В ИК спектрах, представленных на Рис. 1c, дополнительно наблюдаются моды поперечных оптических фононов как ядра, так и оболочки. Появление LO- мод в ИК спектрах вызвано наличием компоненты электрического поля, перпендикулярной поверхности, при скользящем падении света на образец. В диапазоне 240–300 cm^{– 1}, дополнительно проявляются особенности SO оболочки CdS shell. При увеличении толщины оболочки фононные моды испытывают частотный сдвиг и изменения в интенсивности. Сдвиг частот фононов связан с изменением механических напряжений в ядре и оболочке и с влиянием эффекта локализации фононов.

Рисунок 1. СЭМ изображение нанопластинок CdSe/CdS nanoplatelets на золотой подложке (a), Спектры КРС (b) и ИК спектры (c) нанопластинок с раличной толщиной оболочки CdS.

2. ГКРС и поверхностно-усиленная фотолюминесценция

Резонансное плазмонное усиление эмиссии света нанопластинками CdSe/CdS на массивах золотых нанодисков

К.В. Аникин¹, Т.А. Дуда², Е.Е. Родякина³, А.Г. Милёхин¹, С.А. Бацанов³, А.К. Гутаковский³, А.В. Латышев³, Б.М. Сайджонов⁴, Р.Б.Васильев⁴, I.A. Milekhin⁵, M. Rahaman⁵, V.M. Dzhagan⁶, D.R.T. Zahn⁵

¹Лаборатория №9, ²Лаборатория №5, ³Лаборатория №20
⁴Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
⁵Технический университет г.Хемниц, Германия
⁶Институт физики полупроводников им.В.Е. Лошкарева, Киев, Украина

Изучено комбинационное рассеяние света (КРС) на оптических фононах и межзонная фотолюминесценция (ФЛ) однородных покрытий нанопластинок CdSe/CdS, нанесенных на массивы золотых нанодисков, сформированных с помощью нанолитографии. Показано, что интенсивность КРС и ФЛ резонансно зависят от размера нанодисков золота и достигают максимальных значений, соответственно, 75 и 7 при размерах диска, для которых энергия локализованного поверхностного плазмонного резонанса (ЛППР) совпадает с энергией межзонных переходов в нанопластинках.

Полупроводниковые нанопластинки CdSe/CdS по типу ядро оболочка обладают оптическими и электронными свойствами, перспективными для ряда оптоэлектронных приложений. Нанопластинки были получены с помощью коллоидной химии (МГУ) и однородно нанесены на массивы золотых нанодисков по технологии Ленгмюра-Блоджетт.

Массивы золотых нанодисков размерами от 20 до 250 нм и периодом 130, 150, 200, 250 нм были изготовлены с помощью нанолитографии. Структурные параметры полупроводниковых и металлических наноструктур контролировались с помощью высокоразрешающей электронной микроскопии (ВРЭМ) на просвет и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Типичные ВРЭМ и СЭМ структур представлены на Рис.2 а-в.

Энергия ЛППР определялась с помощью оптической спектроскопии на отражение, находится в оптическом диапазоне и сдвигается в красную область с увеличением размеров нанодисков. В случае гигантского КРС, интенсивность КРС на частоте LO фононов в нанопластинках CdSe/СdS проявляет максимум, соответствующий энергии ЛППР нанодисков. Усиление интенсивности сигнала КРС от нанопластинок, находящихся на массиве нанодисков, относительно нанопластинок на кремниевой подложке составляет величину 75.

Нанопластинки CdSe/СdS проявляют экситонную ФЛ при 610нм, интенсивность которой резонансно зависит от размеров нанодисков Au (Рис.2d). Максимальная ФЛ наблюдается для нанодисков, которые имеют размер, соответствующий максимально возможной энергии ЛППР для данных массивов (Рис.2е), когда еще выполняются резонансные условия совпадения энергий ЛППР нанодисков и ФЛ нанопластинок CdSe/СdS. Таким образом, реализованы условия для резонансного плазмонного усиления КРС и ФЛ нанопластинками CdSe/СdS.

Рис. 2. а)- ВРЭМ изображение нанопластинок CdSe/CdS. СЭМ изображения b)- массива нанодисков золота и c)- одного нанодиска, с однородно нанесенными нанопластинками. d)- Спектры ФЛ нанопластинок, нанесенных на массивы нанодисков разного размера. e)- Коэффициент усиления интенсивности ФЛ нанопластинок в зависимости от размеров золотых дисков.

Публикации, относящиеся к полученному результату:
I.A. Milekhin, K.V. Anikin, M. Rahaman, E.E. Rodyakina, T.A. Duda, B.M. Saidzhonov, R.B. Vasiliev, V.M. Dzhagan, A.G. Milekhin, A.V. Latyshev, D.R.T. Zahn, Resonant plasmon enhancement of light emission from CdSe/CdS nanoplatelets on Au nanodisk arrays. Journal of Chemical Physics, №153, p.164903 2020. https://doi.org/10.1063/5.0023085 Q1, IF= 2.991

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты №. 19-52-12041_ННИО_a and 18-02-00615_a) и Министерства образования и науки Российской Федерации [грант No. 075-15-2020-797 (13.1902.21.0024)].

3. Нано ГКРС

Резонансное комбинационного рассеяния света с нанометровым пространственным разрешением нанокристаллами CdSe на плазмонных подложках

К.В. Аникин¹, Т.А. Дуда², Е.Е. Родякина³, А.Г. Милёхин¹, С.А. Бацанов³, А.К. Гутаковский³, А.В. Латышев³, Б.М. Сайджонов⁴, Р.Б.Васильев⁴, I.A. Milekhin⁵, M. Rahaman⁵, V.M. Dzhagan⁶, D.R.T. Zahn⁵

¹Лаборатория №9, ²Лаборатория №5, ³Лаборатория №20
⁴Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
⁵Технический университет г.Хемниц, Германия
⁶Институт физики полупроводников им.В.Е. Лошкарева, Киев, Украина

Использование резонансного комбинационного рассеяния света с нанометровым пространственным разрешением (нано-КРС) в режиме «щелевого» плазмона позволило изучить фононные моды в субмонослоях нанокристаллов CdSe, нанесенных на плазмонные подложки. Интенсивность мод коррелирует с распределением локальных электромагнитных полей по плазмонным подложкам.

В результате выполнение работы показано, что чувствительность метода нано-КРС для определения колебательного спектра нанокристаллов (НК) CdSe может быть многократно увеличена в так называемой моде «щелевого плазмона» за счет использования плазмонных подложек. Геометрия эксперимента по нано-КРС представлена на Рис.1. НК CdSe нанесены на массивы нанодисков Au, сформированные на поверхности Si, или подложки Klarite, представляющие собой инвертированные пирамиды, покрытые шероховатым слоем золота. При облучении специально приготовленного металлизированного кантилевера АСМ микроскопа в зазоре между кантилевером и плазмонной подложкой возникает сильно локализованное электромагнитное поле («щелевой» плазмон), которое приводит к усилению сигнала КРС близлежащих НК CdSe (Рис.2).

Рис. 1. Схема эксперимента по нано-КРС НК CdSe на массиве дисков Au (а) и подложке Klarite (b). Точки 1 и 2 на Рис. (a) обозначают типичные области для записи спектров традиционного нано-КРС и нано-КРС в режиме «щелевого» плазмона, соответственно. На Рис. (b) НК CdSe не обозначены в связи с малым масштабом подложки.

Массивы нанокластеров золота были сформированы с помощью нанолитографии, и их структурные параметры определены с помощью АСМ микроскопии. АСМ изображения полученных плазмонных подложек представлены на Рис.2. На поверхность массивов нанокластеров субмонослои нанокристаллов CdSe по технологии Ленгмюра-Блоджетт.

В случае нанодисков Au мы наблюдали кольцевидную форму на изображении нано-КРС, возникающую в результате усиления LO мод НК CdSe вблизи края дисков (Рис.2б,в), в то время как в случае подложки Klarite усиление сигнала наблюдалось в вершинах перевернутых пирамид (Рис.2е), где, как показывают расчеты, локальное электромагнитное поле значительно. При этом выполняются в резонансные условия, поскольку энергия падающего лазерного излучения совпадает с энергией зазора-плазмона металлических наноструктур и близка к энергии межзонного электронного перехода в НК CdSe. Показано, что выполнение условий щелевого плазмона позволяет проводить локальный анализ фононов LO, SO/TO, а также колебательных мод Se в НК CdSe на массивах нанодисков Au.

Рис. 2.а)- Спектры КРС от областей, указанных на Рис 1а. б) Карта нано-КРС и в) совмещенные изображения АСМ и нано-КРС фрагмента массива нанодисков Au с НК CdSe, г) спектры нано-КРС, усредненные по областям, изображенным на Рис.2д) в сравнении со спектром КРС пленок на кремниевой поверхности. д) Изображения АСМ и е) нано-КРС фрагмента массива нанокластеров Au c нанесенным монослоем НК CdSe.

Публикации, относящиеся к полученному результату:
1. I.A. Milekhin, M. Rahaman, K.V. Anikin, E.E. Rodyakina, T.A. Duda, B.M. Saidzhonov, R.B. Vasiliev, V.M. Dzhagan, A.G. Milekhin, A.V. Latyshev, D.R.T. Zahn, Resonant Tip-enhanced Raman Scattering by CdSe Nanocrystals on Plasmonic Substrates, Nanoscale Advances, DOI: 10.1039/D0NA00554A (2020).
2. А.Г. Милёхин, Т.А. Дуда, Е.Е. Родякина, К.В. Аникин, С.А. Кузнецов, I.A. Milekhin, D.R.T. Zahn, А.В. Латышев, Плазмон-усиленная колебательная спектроскопия полупроводниковых нанокристаллов, Автометрия, 5 (2020).

Локальный спектральный анализ нанокристалла AlN методами зондовой спектроскопии

И.А. Милёхин^{1, 2}, К.В. Аникин¹, Н.Н.Курусь¹, В.Г. Мансуров³, Т.В. Малин³, К.С. Журавлев³, А.Г. Милёхин¹, А.В. Латышев^{1, 2}, D.R.T. Zahn⁴

¹Лаборатория №9, ²Новосибирский государственный университет, ³Лаборатория №37
⁴Semiconductor Physics, Chemnitz University of Technology, D-09107 Chemnitz, Germany

Выполнен локальный спектральный анализ отдельного эпитаксиального нанокристалла AlN двумя взаимодополняющими зондовыми методами- комбинационного рассеяния света (нано-КРС) и ИК поглощения (нано-ИК). Продемонстрирована возможность визуализации мод локализованных поверхностных оптических (SO) фононов по спектрам нано-КРС и нано-ИК поглощения.

Методы зондовой оптической спектроскопии, или наноскопии - ближнепольное комбинационное рассеяние света, фотолюминесценция, усиленные металлизированным острием атомно-силового (ACM) микроскопа (нано-КРС и нано-ФЛ, или от англ. Tip-Enhanced Raman scattering, photoluminescence (TERS, TEPL)), и нано-ИК спектроскопия успешно применяются для изучения органических материалов с пространственным разрешением много меньше дифракционного предела. Экспериментальны данные по изучению этими методами неорганических материалов относятся преимущественно к углеродным материалам, таким как графен, оксид графена, углеродные нанотрубки и т.п., а полупроводниковые наноструктуры остаются малоизученными на наномасштабе.

В настоящей работе мы сообщаем об исследовании фононных мод отдельного нанокристалла AlN, выращенного с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии на поверхности Si с подслоем AlN толщиной 100 нм, методами наноскопии.

Как показано на АСМ-изображении (Рис.1а), нанокристалл AlN гексагональной формы с относительно плоской поверхностью в верхней части нанокластеров и острыми краями имеет латеральный размер около 250 нм и высоту ∼ 40 нм.

а)	б)	в)

Рис. 1. (а)- АСМ, (б)- нано-КРС и (в)- нано-ИК изображения нанокристалла AlN.

Установлено, что спектр нано-КРС нанокристалла AlN существенно отличается от известных данных по КРС объемного вюрцитного AlN. В спектрах КРС обычно наблюдаются моды поперечных и продольных оптических фононов (TO и LO) на частотах примерно при 610 и 890 см^-1 для A₁(TO) и A₁(LO), 664 и 912 см^-1 для фононов E₁(TO) и E₁(LO), соответственно. В экспериментальных спектрах нано-КРС нанокристалла эти моды отсутствуют. Вместо этого наблюдается широкая особенность в области полосы «остаточных лучей» и состоит из двух компонент, которые можно интерпретировать как SO-фононы, происходящие от оптических фононов симметрии A₁ и E₁. AlN фононных мод симметрий A₁ и E₁. Это свидетельствует о том, что в спектрах нано-КРС нанокристалла AlN преимущественно усиливаются моды поверхностных оптических фононов. Нано-КРС изображение отдельного нанокристалла AlN с кристаллической структурой вюрцита демонстрирует его гексагональную форму (Рис.1б).

Показано, что нано-ИК спектроскопия позволяет дополнительно изучить пространственную локализацию SO фононов, образованных от оптических фононов с различной симметрией. На Рис.1в представлено нано-ИК изображение моды A₁(SO) в спектральном диапазоне 650-750 см^-1. Как видно на рисунке, эта мода локализована на краях гексагональных нанокристалла AlN в области порядка 50 нм. Заметим, что пространственное разрешение нано-ИК спектроскопии оказывается на два порядка меньше дифракционного предела. Важным экспериментальным результатом является изменение частот SO мод при сканировании АСМ зондом края нанокристалла.

Изменение частоты моды связано с изменением характера взаимодействия иглы нано-ИК с поверхностью AlN. В то время как игла нано-ИК и пленка AlN взаимодействуют, электромагнитное поле направлено по нормали к поверхности. При приближении иглы к нанокластеру поле направлено по кратчайшему расстоянию между иглой и боковой поверхностью нанокластера (по нормали к поверхности). В точке перегиба, т. е. в точке, где поверхность кластера имеет максимальный наклон, электромагнитное поле между иглой и нанокластером направлено вдоль поверхности образца. Это означает, что направление поля изменяется на 90° при помещении иглы на плоский слой AlN и точку перегиба нанокристалла. Это позволяет исследовать угловую дисперсию моды A₁(SO) при сканирования нанокристалла.

Таким образом установлено, что методы наноскопии (нано-КРС, как и нано-ИК) являются поверхностно-чувствительными и позволяют исследовать пространственную локализацию и угловую дисперсию фононных мод для отдельного нанокристалла AlN.

Публикации:
I.A. Milekhin, K.V. Anikin, N.N. Kurus, V.G. Mansurov, T.V. Malin, K.S. Zhuravlev, A.G. Milekhin, A.V. Latyshev, Local phonon imaging of AlN nanostructures with nanoscale spatial resolution, Nanoscale Advances, v.3, №5, pp.2820-283, 2023.

Плазмон-усиленное комбинационное рассеяние в многослойном графене на микро и нано-масштабе: SERS и TERS

Н.Н.Курусь¹, И.А. Милёхин^{1, 2}, Н.А. Небогатикова³, И.В. Антонова³, Е.Е. Родякина³, А.Г. Милёхин¹, А.В. Латышев², D.R.T. Zahn⁴

¹Лаборатория №9, ²Лаборатория №20, ³Лаборатория №7
⁴Semiconductor Physics, Chemnitz University of Technology, Germany

Изучено плазмон-усиленное комбинационное рассеяние света на основных колебательных модах многослойной (∼10 монослоев) графеновой пленки, помещенной на массив нанодисков Au различных размеров. Достигнуто 25-кратное резонансное усиление интенсивности ГКРС мультиграфеном. Методом нано-КРС, благодаря высокому (∼10нм) пространственному разрешению и коэффициенту усиления КУ=50, визуализированы наноскладки в мультиграфене. На основе анализа частотного положения G- и 2D-мод показано, что механической деформации в наноскладках составляют величину до 0,7%.

Графен является одним из наиболее исследуемых материалов последнего десятилетия, а в сочетании с другими наноматериалами открывает возможности для создания гетеронаноструктур с уникальными физико-химическими свойствами, в том числе плазмонных ГКРС-подложек для анализа малых количеств веществ, вплоть до уровня одной молекулы. В то же время, имеется ограниченное работ, посвященных изменению колебательных свойств самого графена при взаимодействии с металлом и образовании в графене структурных неоднородностей типа микро- и наноскладок и анализу влияния наноразмерных деформаций на свойства многослойного графена и эффекты плазмонного усиления.

В данной работе исследованы оптические свойства плёнки мультиграфена толщиной 10 монослоёв на массиве золотых нанодисков диаметром от 50 до 250 нм. Как видно из Рис.1а, при помещении на плазмонную подложку плёнка мультиграфена деформируется с формированием упорядоченных наноскладок.

Рис. 1. АСМ- изображение плёнки мультиграфена на массиве золотых нанодисков. б)- Характерный спектр ГКРС (при длине волны возбуждения λ=638 nm) плёнки мультиграфена на массиве золотых нанодисков (красный) в сравнении со спектром КРС мультиграфена на кремниевой подложке (чёрный).

На основе спектров ГКРС, измеренных при длинах волн возбуждении 532, 638 и 785 нм, показано, что с увеличением длины волны происходит увеличение диаметра нанодисков, при котором достигается наибольшее плазмонное усиление сигнала ГКРС. Наибольшее усиление интенсивности основных колебательных мод мультиграфена (КУ=25) демонстрируют спектры ГКРС, измеренные при λ=638 nm для нанодисков диаметром 103 нм (Рис. 1б). Данные параметры были выбраны в качестве оптимальных для исследования нано-КРС в режиме щелевого плазмона плёнкой мультиграфена. Кольцевые области, соответствующие наибольшему сигналу на карте распределения интенсивности D-моды в спектрах нано-КРС мультиграфеном (Рис.2а) соответствуют положению золотых нанодисков, где достигается КУ=50. Тем не менее, высокая интенсивность D-моды наблюдается и в областях складок, вне золотых нанодисков, что связано с активацией колебаний A1g симметрии при изгибе мультиграфена. Высокое пространственное разрешение, наряду со значительным усилением сигнала, позволило не только визуализировать наноразмерные складки в плёнке мультиграфена, но и выполнить оценку величины механической деформации в них. Так, в спектрах нано-КРС в области складки наблюдается назкочастотный сдвиг положений G- и 2D- мод мультиграфена на 7 и 8 см^-1, соответственно (Рис. 2б), что указывает на наличие в плёнке мультиграфена механической деформации растяжения величиной 0,7%.

Рис. 3.Карта распределения интенсивности D-моды (а) и характерные спектры нано-КРС мультиграфена, расположеного на массиве золотых нанодисков (б). Цвет спектров соответствует цвету областей на карте

Публикации:
Kurus N.N., Milekhin I.A., Nebogatikova N.A., Antonova I.V., Rodyakina E.E., Milekhin A.G., Latyshev A.V., Zahn D.R.T. Plasmon-Enhanced Raman Scattering by Multilayered Graphene at the Micro-and Nanoscale: SERS and TERS Analysis. The Journal of Physical Chemistry C. v.127, pp. 5013-5020, 2023.

4. Нано-фотолюминесценция

Нано- фотолюминесценция нанопроволок GaAs

И.В. Калачев¹, И.А. Милёхин^{1, 2}, Е.А. Емельянов³, В.В. Преображенский³, В.С. Тумашев⁴, А.Г. Милёхин⁵, А.В. Латышев²

¹Новосибирский государственный университет, ²Лаборатория №20, ³Лаборатория №17
, ⁴Лаборатория №7
, ⁵Лаборатория №9

Представлены результаты изучения микро- и нано-фотолюминесценции (ФЛ) нанопроволок GaAs ориентации (111), расположенных на золотой подложке, на микро- и наномаштабе. Обнаружена ближнепольная межзонная нано-ФЛ, обусловленная плазмонным усилением сигнала ФЛ в присутствии металлизированного (Ag) АСМ-зонда.

Нанопроволоки GaAs были выращены на подложках Si ориентаций (111) методом молекулярно-лучевой эпитаксии при осаждении из газовой фазы мышьяка и галлия. Геометрические и структурные параметры нанопроволок были определены методом Атомно-силовой микроскопии (АСМ). После роста нанопроволоки были перенесены механическим путём на подложку кремния, покрытую слоем золота толщиной 100 нм (Рис. 1а).

В спектрах ФЛ отдельной нанопроволок GaAs (диаметр 96 нм) при возбуждении лазером при &labmda; = 785 нм наблюдается интенсивный широкий пик, соответствующий межзонной ФЛ при энергии оптического перехода, равного ширине запрещённой зоны объёмного полупроводника Eg ≈ 1,42 эВ. Кроме того, наблюдается моды поперечных (TO) и продольных (LO) оптических фононов GaAs и их обертона. Обнаружено, что интенсивность ФЛ в изученных нанопроволоках анизотропна, при этом максимальный сигнал микро-ФЛ наблюдается при направлении вектора поляризации вдоль проволоки, а минимальный — поперёк проволоки.

Рис. 1. а) АСМ-изображение, б) спектральная карта ближнепольной нано-ФЛ нанопроволоки, в) усреднённые спектры КРС и ФЛ для областей, показанных прямоугольниками на (б).

Для исследований ФЛ нанопроволок GaAs на нанометровом масштабе использовался зонд АСМ, покрытый серебром, при длине волны лазерного излучения 785 нм и мощности 30 мкВт. АСМ- изображения (рис. 1, а) и спектральная карта интенсивности нано-ФЛ записывались одновременно в контактном режиме (для АСМ-картирования) и на расстоянии 50 нм (рис. 1, б) от Ag-зонда до поверхности (для нано-ФЛ). Как видно из рис. 1, в, в спектрах, полученных от нанопроволоки, наблюдается ближнепольный сигнал экситонной нано-ФЛ.

В результате проделанной работы удалось впервые изучить нано-ФЛ нанопроволок и выполнить картирование интенсивности межзонной ФЛ с пространственным разрешением около 20 нм, что существенно ниже дифракционного предела. Обнаруженная ближнепольная межзонная нано-ФЛ, обусловленная плазмонным усилением сигнала ФЛ в присутствии металлизированного (Ag) АСМ-зонда.

Разработанные подходы показали свою применимость для исследования оптических и фононных свойств отдельных наноразмерных полупроводниковых структур с помощью спектроскопии нано-ФЛ с высоким пространственным разрешением, соответствующим разрешению АСМ.

Публикации:
И.В. Калачев, И.А. Милёхин, Е.А. Емельянов, В.В. Преображенский, В.С. Тумашев, А.Г. Милёхин, А.В. Латышев, Спектроскопия комбинационного рассеяния света и фотолюминесценция нанопроволок GaAs, Автометрия. Т. 59, №6, 2023.

5. ИК поглощение

Фононы атомарно тонких нанопластинок ZnSe, полученных коллоидным методом

Л.С. Басалаева¹, В.П. Графова², Т.А. Дуда³, Н.Н.Курусь¹, Р.Б. Васильев², А.Г. Милёхин¹

¹Лаборатория №9
²Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
³Лаборатория №5

Изучен фононный спектр атомно тонких нанопластинок ZnSe методами колебательной спектроскопии, включая комбинационное рассеяние света (КРС) и ИК спектроскопию. Атомно тонкие нанопластинки треугольной и прямоугольной формы синтезировались методом коллоидной химии при температуре 100-170ºС. Значительные разнонаправленные сдвиги частот оптических поперечных и продольных оптических фононов объясняется эффектом квантования фононов в предельно тонких нанопластинках.

В данной работе сообщается об успешном коллоидном синтезе и исследовании оптических свойств нанопластинок ZnSe, определении связи между колебательными свойствами и структурными параметрами нанопластинок. На Рис.1 a), б) представлены изображения нанопластинок, синтезированных при разной температуре, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).

Рис. 1. ПЭМ-изображения а)- треугольных (Т=130°C) и б)- прямоугольных нанопластинок ZnSe (170°C).

В ИК спектрах отражения ультратонких нанопластинок ZnSe толщиной до 2,5 монослоев (МС), регистрируемых при нормальном падении, наблюдались моды поперечных и поверхностных оптических (TO и SO) фононов. При наклонном падении вследствие эффекта Берремана проявлялись дополнительно продольнын оптические (LO) моды. В спектрах КРС наблюдались преимущественно моды TO и SO фононов на частотах, близких к определенным из ИК данных. Показано, что при уменьшении толщины происходит низкочастотный сдвиг LO фононных мод от 252 до 238 см^-1 и высокочастотный сдвиг ТO фононов от 198 до 216 см^-1 (Рис.2). Изменение частот фононных мод объяснено эффектом локализации оптических фононов на толщине пластинки. Из сравнения положения LO и TO фононных мод, локализованных в нанопластинках ZnSe с данными по дисперсии оптических фононов в объемном ZnSe определена толщина нанопластинок, сформированных при низкой температуре, равная 0,567 нм, что хорошо коррелирует с результатами атомно-силовой микроскопии.

Рис. 2.Спектры ИК отражения, измеренные при а) –нормальном и б) –наклонном падении света; в), г) -спектры КРС нанопластинок ZnSe максимальной и минимальной толщины.

Публикации:
L.S. Basalaeva, V.P. Grafova, T.A. Duda, N.N. Kurus, R.В. Vasiliev, A.G. Milekhin, Phonons of Atomically Thin ZnSe Nanoplatelets Grown by the Colloidal Method, J. Phys. Chem. C v.127, №27, pp.13112–13119, 2023.

6. Оптическая спектроскопия

Локализованные поверхностные плазмонные резонансы в массивах золотых нанокластеров на непрозрачных подложках

К.В. Аникин, А.Г. Милёхин, Е.Е. Родякина¹, А.В. Латышев¹

Лаборатория №9
¹Лаборатория №20

С помощью нанолитографии сформированы массивы нанокластеров Au и их димеров на поверхностях Siи SiO2/Si и исследованы их плазмонные свойства. Предложен метод определения энергии поверхностного плазмонного резонанса (ЛППР) по спектрам отражения. Получены зависимости энергии ЛППР от структурных параметров металлических нанокластеров и их димеров.

Разработан подход, который позволяет на основе анализа спектров отражения определять энергию ЛППР для нанокластеров, имеющих форму цилиндра, диаметр и период которых варьируются в диапазоне 30–150 и 130–200 нм соответственно, изготовленных методом электронно-лучевой литографии на непрозрачных подложках SiO₂ /Si (Рис.1 а,б). Рассчитанные спектры отражения воспроизводят основные спектральные особенности, наблюдаемые в экспериментальных спектрах нанокластеров Au, их изменение с размером нанокластеров и толщиной слоя SiO2. Численная модель, используемая для подгонки экспериментальных спектров отражения (Рис.1в,г), применялась для моделирования распределения электромагнитных полей вблизи нанокластеров (Рис.1д,е) и расчета спектров поглощения для определения зависимости положения ЛППР как функции от размера и толщины слоя SiO2. Данное исследование выявило сильную зависимость частотного положения ЛППР от размера нанокластеров, расстояния между нанокластерами, а также от толщины слоя SiO2 в нанометровом диапазоне (Рис.1з,и). Особое внимание было уделено наблюдению по спектрам отражения формирования поперечной плазмонной моды, распространяющейся вдоль поверхности подложки и поляризованной перпендикулярно поверхности. Возбуждение данной моды мы связываем с рассеянием электромагнитного поля на соседних нанокластерах.

Предлагаемый метод демонстрирует возможность применения спектроскопии отражения для анализа металлических нанокластерных массивов на непрозрачных подложках и может быть использован для экспрессного определения энергии ЛППР.

Показано, что использование подложек Si / SiO₂ позволяет настраивать положение ЛППР в более широком спектральном диапазоне по сравнению со стандартными подложками из оксида кремния.

Рис.1 Типичные СЭМ-изображения а)-нанокластеров и б)-димеров Au. Элементарные ячейки (в, г) для структур с массивами нанокластеров и димеров Au на подложках Si / SiO₂ (8 нм) и Si / SiO₂ (77 нм), соответственно, и расчетное электрическое поле вблизи этих структур (д и е). Спектральное положений максимумов ЛППР, полученных из спектров поглощения, для з)-кластеров и и) димеров Au с различными структурными параметрами. Пунктирные линии показывают положение максимума поглощения для случаев, где определение энергий ЛППР затруднительно.

Публикации, относящиеся к полученному результату:
1. Anikin K., Rodyakina E., Veber S., Milekhin A., Latyshev A., Zahn D.R.T., Localized surface plasmon resonance in gold nanoclusters arrays, Plasmonics, https://doi.org/10.1007/s11468-019-00949-2, 2019.
2. Аникин К.В., Милёхин А.Г., Родякина Е.Е., Вебер С.Л., Латышев А.В., Zahn D.R.T., Оптические плазмонные резонансы в массивах нанокластеров Au, Сибирский физический журнал, т.14, №1, р.63-75, 2019.

НАУЧНАЯ КООПЕРАЦИЯ. УНИВЕРСИТЕТЫ ПАРТНЕРЫ. ПЕРСОНАЛИИ

1. Новосибирский Государственный университет
   д.ф.-м.н. А.А.Шкляев

2. Технический университет г.Кемниц (Германия)
   Prof.Dr.Dr.h.c. D.R.T.Zahn
   

3. Московский государственный университет им.М.В,Ломоносова
   д.ф.-м.н., проф.Р.Б.Васильев

4. Московский физико-технический институт
   д.ф.-м.н.А.И.Чернов

5. Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе
   к.ф.-м.н. П.А. Алексеев

ПРОЕКТЫ И ПУБЛИКАЦИИ

завершенные

Проект Министерства образования и науки
2020-1902-01-058, Квантовые структуры для посткремниевой электроники
Ответственный исполнитель Милёхин А.Г.

Проекты РФФИ

19-52-12041-ННИО_а Гигантское комбинационное рассеяние света полупроводниковыми наноструктурами с нанометровым пространственным разрешением
Руководитель Милёхин А.Г.

18-29-20066 мк Мультиспектральное усиление и детектирование ИК поглощения в полупроводниковых и органических наноматериалах на массивах металлических наноантенн
Руководитель Милёхин А.Г.

18-02-00615-а Эффекты усиления комбинационного рассеяния в гибридных наноструктурах полупроводник/металл
Руководитель Милёхин А.Г.

текущие

Проекты РНФ

22-12-00302 Плазмон-усиленная ближнепольная оптическая спектроскопия полупроводниковых наноструктур
Руководитель Милёхин А.Г.

24-12-00209 Лазерные нанофотонные структуры на основе многослойных дихалькогенидов переходных металлов с оптической и электрической накачкой
Руководитель Милёхин А.Г.

НОВОСТИ