Найдена оптимальная форма золотых наночастиц для управления цветом лазера

Ученые из Дальневосточного федерального университета и Университета ИТМО усовершенствовали ранее полученные наночастицы из золота так, чтобы они оптимально управляли длиной волны света. Работа поможет в создании дешевых и высокоточных газоанализаторов.

Несколько лет назад ученые из Дальневосточного федерального университета разработали простой и дешевый способ создания полусферических наночастиц металла. Эти частицы получили название нанобампы.

«Когда кто-то хочет создать себе массив наноструктур, он обычно пользуется методом электронной литографии, рассказывает научный сотрудник Инженерной школы ДВФУ Александр Кучмижак. Это очень дорогой многоступенчатый процесс. Поэтому несколько лет назад мы предложили метод по созданию таких структур при помощи прямого воздействия на материал импульсного лазерного излучения. Мы используем тонкую пленку золота на стеклянной подложке и воздействуем на нее сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами. Из-за огромной интенсивности лазерного импульса и экстремальной скорости нагрева материала небольшой участок пленки размером всего несколько сотен нанометров превращается в жидкость и под действием гидродинамических и акустических процессов локально отрывается от подложки. Контролируя интенсивность лазерного воздействия, мы управляем тем, сколько металл будет находиться в таком жидком состоянии и в какой форме застынет. Так получаются нанобампы, полусферические выступы на поверхности гладкой золотой пленки, причем их можно делать с экстремальной высокой скоростью 10 млн штук в секунду».

На получившихся нанобампах можно генерировать вторую гармонику, тем самым изменять длину волны падающего на них света. Фотоны, соприкасаясь с поверхностью, объединяются для формирования новых фотонов с удвоенной энергией и вполовину меньшей длиной волны. Таким образом, если наночастицы облучают инфракрасным лазером, они отражают уже зеленый луч. Это свойство может иметь множество применений в оптике. Однако получить такие наночастицы и их массивы полдела. После этого ученым предстоит найти их оптимальный размер, форму и положение относительно друг друга, чтобы процесс изменения длины волны проходил бы оптимальным образом, давая преимущества перед другими аналогичными технологиями.

Эту работу выполнили ученые физико-технического факультета Университета ИТМО и Дальневосточного федерального университета. Они построили математические модели в поисках оптимальной формы и размера нанобампов для управления длиной волны отраженного света. Затем, теоретически определив оптимальный вариант, они провели несколько экспериментов, чтобы проверить выводы.

«Мы создали бампы различных размеров ширины, высоты, рассказывает Артем Черепахин, выпускник Университета ИТМО, инженер ДВФУ. Мы сгруппировали их в разные массивы, располагая их на разных расстояниях друг от друга. В итоге мы определили оптимальную форму единичного бампа, позволяющую получить выход второй гармоники в 14 раз выше, чем просто при падении света на гладкую пленку золота. Впоследствии мы нашли оптимальное положение бампов на поверхности, получив выход второй гармоники в 110 раз больше, чем от гладкой золотой пленки».

Поверхность, которая так эффективно может взаимодействовать с падающим на нее светом, может быть крайне полезна для различных сенсоров и анализаторов, определяющих химический состав исследуемых веществ.

«Так как поверхность с этими наноструктурами очень чувствительна к любым изменениям в окружающей среде, очень заманчиво применять их в системах, в которых мы можем фиксировать изменение выхода гармоники в зависимости от того, какие молекулы находятся над этой поверхностью, объясняет соавтор исследования, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Сергей Макаров. То есть взаимодействие со светом меняется в зависимости от состава вещества, находящегося на этой поверхности. Это можно использовать в газоанализаторах, сенсорах, определяющих концентрацию растворов».

Также ученые полагают, что такие поверхности можно использовать для записи информации, тем более что подобные нанобампы можно делать не только из золота, но и теоретически из других металлов.

«С помощью этих нанобампов можно создавать зашифрованные сообщения на поверхности металлических пленок, которые можно увидеть только в определенных условиях при определенной подсветке», заключает Артем Черепахин.

Laser-printed hollow nanostructures for nonlinear plasmonics; A.B. Cherepakhin, D.V. Pavlov, I.I. Shishkin1, P.M. Voroshilov, S. Juodkazis, S.V. Makarov, A.A. Kuchmizhak; журнал Applied Physics Letters, август 2020