Поверхностно-усиленное оптическое поглощение и индуцированный нагрев конического кремневого нанозонда

Избасарова Э.А., Газизов А.Р., Харинцев С.С.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Избасарова Э.А., Газизов А.Р., Харинцев С.С. Поверхностноусиленное оптическое поглощение и индуцированный нагрев конического кремниевого нанозонда // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 5. С. 43–53. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-05-43-53

Izbasarova E.A., Gazizov A.R., Kharintsev S.S. Surface-enhanced optical absorption and induced heating in tapered silicon nanoprobe [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 5. P. 43–53. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-05-43-53

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Взаимосвязь температуры нагрева с мезоскопической формой кремниевого зонда атомно-силового микроскопа при средних облученностях, создаваемых лазерным излучением (5 МВт/см2), и наличием шероховатой металлической подложки. Цель работы. Исследование зависимости усиления оптического поля и вызванного им нагрева острия конического кремниевого нанозонда при лазерном облучении от радиуса кривизны и угла конуса вершины зонда, расстояния между ним и подложкой, параметра шероховатости поверхности золотой подложки. Метод. Локализация электромагнитного поля в зазоре между вершиной кремниевой наноантенны и неоднородностями на поверхности золотой подложки смоделирована методом конечных разностей во временной области. В качестве плазмонной поверхности используется тонкое золотое покрытие (толщина до 50 нм) на стеклянной подложке. Такое покрытие за счет возбуждения поверхностного плазмонного резонанса усиливает поглощение оптического излучения и увеличивает температуру нагрева кремниевой оптической антенны. Основные результаты. Исследовано влияние угла поляризации падающего лазерного излучения на распределение электрического поля вблизи вершины зонда. Установлено, что вблизи вершины кремниевого кантилевера усиливается только составляющая напряженности поля падающего оптического излучения вдоль направления оси зонда. Показано, что по мере увеличения расстояния между наконечником и подложкой температура снижается экспоненциально. Обнаружено понижение температуры зонда с уменьшением угла раствора вершины зонда. Найдена зависимость температуры от радиуса кривизны острия кремниевой наноантенны при наличии золотой подложки. Показано, что с увеличением размера шероховатости золотой пленки температура вершины кремниевой антенны возрастает, постепенно приближаясь к предельному значению. Практическая значимость. Результаты исследования могут быть применены для оптимального подбора параметров эксперимента, использующего нагретый зонд. Контролируемый нагрев кремниевого зонда может использоваться для изучения фазовых переходов в наноматериалах различного типа, а также для локального термохимического нанокатализа с целью создания новых структурных материалов с заданными свойствами.

Ключевые слова:

термоплазмоника, оптический нагрев, кремниевый кантилевер, плазмонный резонанс

Благодарность:

работа поддержана Российским научным фондом, проект № 19–12–00066

Коды OCIS: 350.5340, 250.5403, 240.6680

Список источников:

1. Бучарская А.Б., Маслякова Г.Н., Чехонацкая М.Л. и др. К вопросу об эффективности плазмонной фототермической терапии экспериментальных опухолей // Опт. и спектроск. 2020. Т. 128. № 6. С. 846–851. https://doi.org/10.21883/OS.2020.06.49419.34-20 Bucharskaya A., Maslyakova G., Chekhonatskaya M., et al. Efficiency of plasmonic photothermal therapy of experimental tumors // Opt. Spectrosc. 2020. V. 128. P. 849–854. https://doi.org/10.1134/S0030400X2006003X
2. Chernykh E.A., Kharintsev S.S. Sensing phase transitions in solids using thermoplasmonics // Bulletin of the RAS: Phys. 2022. V. 86. № Suppl 1. P. S37–S40. https://doi.org/10.3103/S1062873822700356
3. Okamoto S., Kikuchi N., Furuta M., et al. Microwave assisted magnetic recording technologies and related physics // J. Phys. D. Appl. Phys. 2015. V. 48. Art. № 353001. http://doi.org/10.1088/0022-3727/48/35/353001
4. Martirosyan D., Osychenko A., Zalessky A., et al. The use of a fluorescent dye for controlling the laser absorption in the femtosecond laser nanosurgery of cells // JETP Lett. 2023. P. 1–6. http://doi.org/10.1134/S0021364023600970
5. Zhang X., Zhou Y., Zheng H., et al. Reconfigurable metasurface for image processing // Nano Lett. 2021. V. 21. № 20. P. 8715–8722. https://doi.org/10.1021/acs. nanolett.1c02838
6. Aouassa M., Mitsai E., Syubaev S., et al. Temperaturefeedback direct laser reshaping of silicon nanostructures // Appl. Phys. Lett. 2017. V. 111. № 24. Art. № 243103. http://doi.org/10.1063/1.5007277
7. Харитонов А.В., Харинцев С.С. Оптическая запись двумерных температурных профилей в массивах TiON наноструктур // 10 Междунар. сем. по волоконным лазерам. 2022. С. 233–234. http://doi. org/10.31868/RFL.2022.233-234. Kharitonov A.V., Kharintsev S.S. Optical printing of two-dimensional temperature profiles in arrays of TiON nanostructures // Russ. Fiber Lasers. 2022. V. 2. № 1. P. 98. http://doi.org/10.31868/2782-2354-RFL2022-2-1-98-99
8. Novotny L. Effective wavelength scaling for optical antennas // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 98. № 26. Art. № 266802. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98. 266802
9. Кучеренко М.Г., Налбандян В.М., Мушин Ф.Ю. и др. Влияние плазмонных оболочечных наночастиц на безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения в донорно-акцепторной паре // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 11. С. 3–16. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-11-03-16 Kucherenko M.G., Nalbandyan V.M., Mushin F.Yu., et al. Effect of plasmonic-shell nanoparticles on the nonradiative transfer of electron excitation energy in donor/acceptor pairs // J. Opt. Technol. 2022. V. 89. № 11. P. 642–650. https://doi.org/10.1364/JOT.89.000642
10. Замковец А.Д. Широкополосные плазмонные поглощающие нанокомпозиты // Оптический журнал. 2014. Т. 81. № 6. С. 78–83. Zamkovets A.D. Broad-band plasmonic absorbing nanocomposites // J. Opt. Technol. 2014. V. 81. № 6. P. 361–364. https://doi.org/10.1364/JOT.81.000361
11. Chen X., Wang X. Microscale spatially resolved thermal response of Si nanotip to laser irradiation // J. Phys. Chem. C. 2011. V. 115. № 45. P. 22207–22216. https://doi.org/10.1021/jp2070979
12. Malkovskiy A.V., Malkovsky V.I., Kisliuk A.M., et al. Tip-induced heating in apertureless near-field optics // J. Raman. Spectrosc. 2009. V. 40. № 10. P. 1349–1354. http://doi.org/10.1002/jrs.2388
13. Jersch J., Dickmann K. Nanostructure fabrication using laser field enhancement in the near field of a scanning tunneling microscope tip // Appl. Phys. Lett. 1996. V. 68. № 6. P. 868. https://doi.org/10.1063/1.116527
14. Избасарова Э.А., Газизов А.Р., Харинцев С.С. Управление оптическим нагревом кремниевого зонда с помощью ближнеполевого транспорта энергии локализованными поверхностными плазмонами // Известия РАН. Сер. физическая. 2023. Т. 87. № 12. С. 1788–1795. https://doi.org/10.31857/S0367676523703088 Izbasarova E.A., Gazizov A.R., Kharintsev S.S. Controlling the optical heating of a silicon probe using near-field energy transport carried by localized surface plasmons // Bulletin of the RAS: Phys. 2023. V. 87. № 12. P. 1862–1868. https://doi.org/10.1134/S106287382370418X
15. Palik E.D. Handbook of optical constants of solids. V. 3. N.Y.: Academic Press, 1998. 999 p.
16. Novotny L., Bian R.X., Xie X.S. Theory of nanometric optical tweezers // Phys. Rev. Lett. 1997. V. 79. № 4. P. 645. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.79.645
17. Royer P., Barchiesi D., Lerondel G., et al. Near-field optical patterning and structuring based on local-field enhancement at the extremity of a metal tip // Philos. Trans. Royal Soc. A. 2004. V. 362. № 1817. P. 821–842. https://doi.org/10.1098/rsta.2003.1349
18. Govorov A.O., Richardson H.H. Generating heat with metal nanoparticles // Nano Today. 2007. V. 2. № 1. P. 30–38. http://doi.org/10.1016/S1748-0132(07)70017-8
19. Bohn J.L., Nesbitt D.J., Gallagher A. Field enhancement in apertureless near-field scanning optical microscopy // JOSA A. 2011. V. 18. № 12. P. 2998–3006. https://doi.org/10.1364/JOSAA.18.002998
20. Baffou G., Quidant R., García de Abajo F.J. Nanoscale control of optical heating in complex plasmonic systems // ACS Nano. 2010. V. 4. № 2. P. 709–716. https://doi.org/10.1021/nn901144d
21. Baffou G., Quidant R. Thermo-plasmonics: Using metallic nanostructures as nano-sources of heat // Laser Photonics Rev. 2013. V. 7. № 2. P. 171–187. https://doi.org/10.1002/lpor.201200003
22. Demming F., Jersch J., Dickmann K., et al. Calculation of the field enhancement on laser-illuminated scanning probe tips by the boundary element method // Appl. Physics-Section B-Lasers and Optics. 1998. V. 66. № 5. P. 593–598. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.53.3654
23. Chen X., Wang X. Near-field thermal transport in a nanotip under laser irradiation // Nanotechnol. 2011. V. 22. № 7. Art. № 075204. https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/7/075204
24. Kurpas V., Libenson M., Martsinovsky G. Laser heating of near-field tips // Ultramicroscopy. 1995. V. 61. № 1–4. P. 187–190. https://doi.org/10.1117/12.205920
25. Savage K.J., Hawkeye M.M., Esteban R., et al. Revealing the quantum regime in tunnelling plasmonics // Nature. 2012. V. 491. № 7425. P. 574–577. https://doi.org/10.1038/nature11653