Спектроскопия поверхностного плазмонного резонанса как метод была известна с 80-х годов, но стала особенном актуальной в последнее десятилетие, благодаря развитию нанотехнологий. Обыкновенно, этот метод использует лазерное излучение и работает в режиме либо сканирования по углу падения света на тонкую плёнку, либо по длине волны излучения при фиксированном угле падения.
«Обычно для наблюдения поверхностного плазмонного резонанса (ППР) применяется лазерное излучение. Для этого метода необходимо соблюсти определенные условия. Один из них — использование призмы с напылением тонкого слоя металла, так называемая схема Кречмана. При определенном для каждой длины волны угле падения света на основание призмы в отраженном свете мы наблюдаем провал в интенсивности, то есть, свет практически не отражается при резонансном угле падения, и вся его энергия переходит в поверхностную волну. В таком случае измеренную зависимость от длины волны или угла называют резонансной кривой. Полученные резонансные кривые позволяют очень точно определять оптические свойства и толщину тонких металлических пленок и их покрытий», — рассказывает старший научный сотрудник НТЦ УП РАН Илдус Хасанов.
В НТЦ УП РАН уже много лет производят акустооптические перестраиваемые фильтры (АОПФ), которые позволяют выделять для спектроскопии цвета из обыкновенного некогерентного света. АОПФ позволил ученым проводить измерения одновременно в спектральном и угловом режимах сканирования, благодаря тому, что акустооптический кристалл не искажает спектральные изображения.
В основе метода, который усовершенствовали ученые, лежит поверхностный плазмонный резонанс — физическое явление, которые связывает свет и электроны на поверхности металла, благодаря чему волна начинается распространяться вдоль поверхности. Известен закон Снеллиуса, который говорит, что свет при падении из стекла в воздух преломляется под углом большим, чем угол падения. Когда угол преломления превосходит 90 градусов, свет перестаёт выходить из стекла в воздух. Это условие называется углом полного внутреннего отражения. Но если на поверхность призмы нанести тонкий слой металла, то преломленный свет начнёт распространяться вдоль этой поверхности, так появляется поверхностная волна. Энергия этой волны почти полностью сосредоточена вблизи поверхности, благодаря чему значительно усиливается взаимодействие света с веществом тонкой плёнки. То есть тонкая плёнка для поверхностной волны становится «толстой». В этом заключается секрет высокой чувствительности метода поверхностного плазмонного резонанса по сравнению с другими оптическими методами, например, спектральной эллипсометрией.
Для наблюдения явления ППР учёные использовали призмы с напылением тонкого слоя серебра толщиной 55 нм. При определенном для каждой длины волны угле падения света на основание призмы, в отраженном свете они наблюдаем провал в интенсивности отраженного света. То есть свет при резонансном угле падения практически не отражался, а вся энергия света переходила в поверхностную волну. Измеренную зависимость коэффициента отражения (величины от 0 до 1) от длины волны или угла называют резонансной кривой. Полученные резонансные кривые позволяют очень точно определять оптические свойства и толщину тонких металлических плёнок и их покрытий. При нанесении тонкой плёнки оксида кремния на серебро, положение резонансного угла изменяется, что заметно на спектральном изображении и позволяет рассчитать толщину нанесенной плёнки и её показатель преломления.
Исследователи надеются, что их работа расширит область применения АОПФ, разрабатываемых в НТЦ УП РАН, для создания новых сенсоров на основе ППР, причем не только в видимом, но в «невидимом» — инфракрасном и терагерцовом диапазонах.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских учёных, его результаты были опубликованы в специальном выпуске журнала Materials об акустооптических спектральных технологиях. Журнал Materials является ведущим рецензируемым журналом первого квартиля (Q1) в области исследования материалов и публикует новаторские исследования, которые улучшают понимание взаимосвязи между структурой, свойствами и функциями всех видов материалов.
