Поверхностные металл-диэлектрические структуры для применения в химических и биологических сенсорах

• Автор: Виноградов, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 85 с. : ил.

Оглавление.

Введение
Обзор литературы.
Опто-химические сенсорные устройства
Оптическая сенсибилизация
Поверхностные плазмоны
Глава первая. Материалы, методы приготовления и контроля многослойных тонкопленочных подложек и схемы регистрации
поверхностного плазмонного резонанса
1.1. Магнетронное распыление материалов в вакууме
как эффективный способ получения ППР подложек
1.2. Приготовление тонкопленочных подложек для регистрации ППР
1.3 Материалы подложек и методы их приготовления для достижения
требуемых свойств
1.3.1 Сканирующая зондовая микроскопия
1.4. Методы контроля роста пленок и их качества
1.5. Нанесение металлических пленок
1.6. Защитные оксидные пленки для серебряных ППР-подложек
1.6.1. Методика проверки качества защитных буферных слоев
1.7. Базовые оптические схемы регистрации поверхностного плазмонного резонанса в тонких пленках
1.8. Выводы первой главы
Глава вторая. Поверхностный плазмонный резонанс в тонких пленках, находящихся в газообразных средах
2.1. Изменение ППР в присутствии паров ртути и водорода
2.2. Исследование процесса окисления озоном тонких серебряных пленок
с помощью поверхностного плазмонного резонанса
2.3. Спектроскопия поглощения поверхностных плазмонов в тонких пленках
2.3.1. Ленгмюровские пленки
2.3.2. Получение спектров поглощения пленок нанометровой толщины
2.3.3. Бактериальные пленки
2.4. Выводы второй главы

Глава третья. Исследование поверхностной оптической сенсибилизации поликристаллических пленок нанокристаллов иодида серебра методом поверхностной плазмонной спектроскопии
3.1. Введение
3.2. Поверхностная оптическая сенсибилизация
3.3. Наблюдение поверхностной оптической сенсибилизации в тонких пленках галогенида серебра методом ППР
3.3.1. Приготовление серебряного слоя
3.3.2. Буферный защитный слой
3.3.3. Поверхностная оптическая сенсибилизация модельным слаболетучим веществом - красителем арсеназо III
3.3.4. Результаты и их обсуждение
3.4. Выводы третьей главы
Выводы
Благодарности
Список литературы

Введение.
Актуальность темы исследования.
Современная ситуация с ухудшением среды обитания человека, вызванная в первую очередь все возрастающим антропогенным воздействием на атмосферу Земли, ее водные и иные ресурсы, обусловила в последнее двадцатилетие повышенное внимание к созданию новых биохимических сенсорных устройств, способных быстро и надежно детектировать наличие тех или иных химических веществ в исследуемой среде. Одна из основных областей применения таких устройств - это технологический и экологический контроль окружающей среды.
Сенсоры с оптическими методами регистрации занимают особое место в этом ряду, поскольку включают в себя высокую чувствительность, относительную простоту изготовления и относительную дешевизну. Одной из быстропрогрессирующей и в тоже время оставляющей широкий спектр задач являются оптические планарные сенсоры. Одной из основных задач, встающей при разработке таких сенсорных устройств, является создание оптимальных по своим свойствам многослойных тонкопленочных структур. В данной работе предлагается решение данной проблемы для оптических сенсорных систем, использующих явление резонансного возбуждения поверхностных плазмонов.
Цель работы.
Целью работы являлось изучение при помощи эффекта ППР поведения различных металл-диэлектрических тонкопленочных структур в атмосфере различных газов, изучение оптической сенсибилизации, усиливающей влияние атомов и молекул, адсорбированных на поверхности, на диэлектрические свойства тонких пленок.
Научная новизна работы.
В работе впервые была показана возможность регистрации оптической сенсибилизации наноразмерной поликристаллической пленки галогенида серебра методом резонансного возбуждения поверхностных плазмонов. Изучено поведение различных металл-диэлектрических тонкопленочных структур в атмосфере различных газов, показана возможность использования оптической сенсибилизации для усиления влияния атомов и молекул, адсорбированных на поверхности, на диэлектрические свойства тонких пленок.
В диссертационной работе были поставлены и решены следующие основные научные задачи.
1. Предложена и разработана методика приготовления тонких бислойных пленок типа «металл-диэлектрик» для создания эффективной структуры ППР подложки. Показано, что наилучшими материалами для такой структуры являются серебро, в
Поэтому в целях защиты тонкого серебряного слоя мы наносили тонкое защитное покрытие, которое, с одной стороны, слабо влияло на спектр ППР серебряной пленки, но при этом обеспечивало стабильность серебряного слоя.
В связи с вышеизложенным, на серебряную пленку наносился тонкий слой диэлектрика оксида алюминия толщиной несколько нанометров. Оксид алюминия хорошо защищает пленку от внешних воздействий и не имеет полос поглощения в видимом диапазоне и, соответственно, не дает сильных искажений в спектры ППР.
Чрезвычайно важным было подобрать толщину защитного оксидного слоя, чтобы он не ослаблял сигнал ППР. В связи с этим были проведены исследования по поиску оптимальной толщины, т.к., если пленка будет очень тонкой, то она не выполнит свою защитную функцию, если же сделать ее слишком толстой, то такая пленка существенно исказит кривую ППР.
Оказалось, что в пределах толщин до значений порядка 10 нм наблюдается линейная зависимость сдвига минимума ППР от толщины оксидной пленки. Из анализа зависимости полуширины углового спектра ППР от толщины оксидной пленки нами было определено, что область толщин порядка 8-10 нм, при которых параметры ППР удовлетворяют условиям дальнейших экспериментов. Эти выводы подтвердили исследования изображений поверхности пленки на АСМ.
Для получения заданных параметров ППР подложек необходимо контролировать процесс напыления металлических пленок на призму. Это осуществлялось с помощью ППР спектрометра, собранного таким образом, чтобы призма, на которую происходит напыление в вакуумной камере, являлась бы его составной частью.
Контроль качества напыляемых пленок при помощи ППР спектрометра определялся параметрами кривой ППР, которые сопоставлялись с изображением рельефа поверхности, полученном на сканирующем туннельном микроскопе. Эти результаты коррелируют, и из анализа параметров кривой ППР можно прогнозировать определенное качество наносимых металлических пленок и защитных покрытий. Однородность металлических пленок важна для последующей процедуры нанесения ленгмюровских монослоев и для работы пленки в различных средах, которые могут ее испортить и привести к изменениям сигнала ППР не вследствие реакции молекул комплиментарной пары, а за счет изменения параметров металлической пленки.
Для этого собиралась оптическая схема, подобная рис. 8, но отличавшаяся тем, что призма, на которую производилось напыление, и зеркала для ввода и вывода луча, находятся в вакуумной камере. Остальные оптические элементы спектрометра находятся снаружи и доступны для юстировки и контроля.