Текст уведомления здесь

Из оптических наноантенн будут делать сверхчувствительные биосенсоры

Новый метод позволит производить их быстрее и дешевле, чем раньше

Исследователи из Дальневосточного федерального университета и Дальневосточного отделения РАН вместе с коллегами из России, Туниса и Австралии разработали метод эффективного производства наноантенн из сплава кремния и германия. Такие наноантенны уже успели продемонстрировать высокую чувствительность к органическим молекулам.
Добавить в закладки
Комментарии

Антенны давно применяют для того, чтобы улавливать волны большой длины — например, в радиодиапазоне. Однако их оптический аналог пока еще не использут на практике, то есть заметно усиливать оптические сигналы малыми антеннами в широких масштаба не удавалось. Причина в том, что, например, дипольная антенна для наиболее эффективной работы должна быть близка к половине длины электромагнитной волны. То есть нужные антенны должны быть порядка 350 нанометров (миллиардных долей метра) в длину, а то и меньше.

До сих пор производство наноантенн остается делом крайне непростым. При помощи современных методов фотолитографии их сделать очень сложно: волновая природа света означает, что излучение при такой обработке просто не даст нужного разрешения «печати» по полупроводниковому материалу антенны. Лучше справляется литография с использованием электронного пучка — ей доступно более высокое разрешение. Но этот метод довольно дорог и обычно не применяется в массовом производстве.

Авторы новой работы, опубликованной в журнале Nanoscale, использовали наноантенны оптического диапазона, сделанные по другой технологии. В ее рамках особо чистый кремний наносят на подложку из изолятора, а потом нагревают в вакуумной камере до 800 °C. При этом тонкая и гидродинамически неустойчивая пленка кремния распадается на «островки»: на подложке остаются нанокапли кремния, причем их размеры оказываются устойчиво повторяющимися, и, варьируя условия, можно добиться именно тех размеров наноантенн, что нужны для той или иной прикладной цели.

Рисунок предоставлен пресс-службой ДВФУ

Чтобы опробовать возможности новых наноантенн, авторы работы решили усилить оптические сигналы от адсорбированных на наноантенну молекул различных веществ. Среди них был и 4-аминотиофен. Ученые показали, что напыление германия в процессе распада пленок кремния позволяет получить наночастицы с необычными параметрами — в частности, с их помощью можно не только идентифицировать исследуемые молекулы, но и с высокой точностью определять температуру в точке измерения.

В комментарии для «Чердака» один из авторов работы Александр Кучмижак, научный сотрудник Дальневосточного федерального университета, отметил, что это позволяет серьезно расширить функционал оптических наноантенн. Дело в том, что при проведении замеров на присутствие органических молекул приходится облучать лазером как наноантенны, так и нанесенные на них молекулы органических соединений. Естественно, что от лазерного луча последние нагреваются, и большинство из них распадается уже при 130—170 °C. В итоге весь процесс измерения их концентрации может привести к распаду этих молекул, что сорвет само измерение.

Читайте также: В Университете ИТМО создали простой метод производства дешевых наноантенн

Теоретически можно было бы измерять температуру подложки под наноантеннами, но для таких целей в большинстве случаев используют благородные металлы, хорошо проводящие тепло. В подобных условиях локальное измерение температуры в нагреваемой лазером точке затруднено. А вот с полупроводниковыми наноантеннами это сделать просто: измеряемый ею спектр характеристик молекулы уже содержит информацию о локальной температуре в системе «наноантенна и изучаемая с ее помощью молекула».

Подобные способы детектирования молекул позволят эффективно использовать оптические наноантенны для обнаружения химических загрязнений, а также (потенциально) выявлять присутствие различных вирусов. Авторы статьи добавляют, что произведенные по их технологии наноантенны продемонстрировали высокую чувствительность к разным органическим молекулам. Это позволяет ожидать, что скоро на их основе создадут эффективные оптические биосенсорные платформы и химические датчики нового поколения. Такие сенсоры смогут быстро и точно находить вирусы, химические загрязнения и взрывчатку. 

Среди областей их возможного применения — солнечные батареи с высоким КПД. Теоретически он может быть намного больше, чем у полупроводниковых фотоэлементов, используемых сегодня. Другое преимущество наноантенн — то, что их можно довольно точно подобрать (варьируя размеры) под произвольную частоту световых волн, с которыми они будут работать лучше всего (шкала резонансной частоты почти линейно зависит от размера антенны). С обычными полупроводниковыми фотоэлементами сделать это куда сложнее: чтобы «настроить» их на нужную длину волны, нужно изменить ширину запрещенной зоны полупроводника, что уже требует легирования его другими элементами.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы