Серебряные наностолбики, сформированные методом пространственно-ограниченного химического осаждения: морфология, оптические и функциональные свойства

Марков Д.П., Павлов С.И., Ермина А.А., Большаков В.О., Пригода К.В., Ларин А.О., Фёдорова Е.С., Жарова Ю.А.

Ссылка для цитирования:

Марков Д.П., Павлов С.И., Ермина А.А., Большаков В.О., Пригода К.В., Ларин А.О., Фёдорова Е.С., Жарова Ю.А. Серебряные наностолбики, сформированные методом пространственно-ограниченного химического осаждения: морфология, оптические и функциональные свойства // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 10. С. 53–66. http://doi.org/10.17586/102350862026-93-10-53-66

Markov D.P., Pavlov S.I., Ermina A.A., Bolshakov V.O., Prigoda K.V., Larin A.O., Fedorova E.S., Zharova Yu.A. Silver nanopillars formed by spatially limited chemical deposition: morphology, optical and functional properties [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 10. P. 53–66. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-10-53-66

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. В работе исследованы упорядоченные массивы вертикальных серебряных наностолбиков на кремниевой подложке, созданные методом пространственно-ограниченного химического осаждения. Цель работы — разработка воспроизводимой методики получения упорядоченных массивов серебряных наностолбиков и установление взаимосвязи параметров синтеза с морфологией, оптическими и функциональными характеристиками структур. Метод. Структуры формировались путём гальванического вытеснения серебра из раствора AgNO3/HF в наноотверстия шаблона из полиметилметакрилата, созданного электронной литографией. Морфология исследовалась методами растровой электронной микроскопии, оптические свойства — спектральной эллипсометрией и спектроскопией рассеяния в тёмном поле, а функциональность — спектроскопией гигантского комбинационного рассеяния света. Основные результаты. Установлено, что ключевым фактором роста массивов наностолбиков (диаметр ≈ 50 нм, высота ≈ 150 нм) является контроль диффузионных режимов массопереноса. Определены условия (время осаждения — 10 с, период решётки менее — 230 нм), обеспечивающие воспроизводимое формирование структур без дефектов. Обнаружена сильная азимутальная анизотропия оптических спектров, свидетельствующая о влиянии геометрии решётки на плазмонный резонанс. Установлено, что эффективность гигантского рассеяния существенно зависит от периода решётки, а максимальный коэффициент усиления для красителя бриллиантовый зелёный достигает 5,5×103.
Практическая значимость. Предложенный метод позволяет преодолеть ограничения процесса взрывной литографии при создании массивов наностолбиков с аспектным соотношением около 3. Подход является эффективной альтернативой для формирования трёхмерных плазмонных метаповерхностей, применимых в высокочувствительных детекторах и устройствах нанофотоники.

Ключевые слова:

серебряные наноструктуры, наностолбики, пространственно-ограниченное химическое осаждение, гальваническое вытеснение, электронно-лучевая литография, гигантское комбинационное рассеяния (ГКР), оптическая анизотропия, плазмоника, кремний

Коды OCIS: 240.6680, 300.6450, 160.1190, 220.4000

Список источников:

1. Zou S., Ma L., Li J., Liu Y., Zhao D., Zhang Z. Ag nanorods-based surface-enhanced Raman scattering: Synthesis, quantitative analysis strategies, and applications // Front. Chem. 2019. V. 7. P. 376. DOI: 10.3389/fchem.2019.00376
2. Ermina A.A., Solodovchenko N.S., Bolshakov V.O., Prigoda K.V., Markov D.P., Zharova Y.A. Plasmonic hemispherical Ag nanoparticles on silicon substrate: A comprehensive study of optical properties // Opt. Mater. 2024. V. 157. P. 116315. DOI: 10.1016/j.optmat.2024.116315
3. Ge B., Larson S., Tu H., Zhao Y., Fei Y. Generalized ellipsometry characterization of Ag nanorod arrays prepared by oblique angle deposition // Nanotechnology. 2020. V. 31. № 7. P. 075705. DOI: 10.1088/1361-6528/ab53ae

4. Wurtz G.A., Dickson W., O’Connor D., Atkinson R., Hendren W., Evans P., Pollard R., Zayats A.V. Guided plasmonic modes in nanorod assemblies: strong electromagnetic coupling regime // Opt. Express. 2008. V. 16. № 10. P. 7460–7470. DOI: 10.1364/OE.16.007460
5. Zhou X., Liu S., Xiang H., Li X., Wang C., Wu Y., Li G. Three-dimensional SERS substrates: Architectures, hot spot engineering, and biosensing applications // Biosensors. 2025. V. 15. № 9. P. 555. DOI: 10.3390/bios15090555
6. Rajput A., Kumar S., Singh J.P. Vertically standing nanoporous Al–Ag zig-zag silver nanorods arrays for highly active SERS substrates // Analyst. 2017. V. 142. № 19. P. 3594–3603. DOI: 10.1039/C7AN00851A
7. Liu C.-Y., Ram R., Kolaru R.B., Jana A.S., Sadhu A.S., Chu C.-S., Lin Y.-N., Pal B.N., Chang S.-H., Biring S. Ingenious fabrication of Ag-filled porous anodic Alumina films as powerful SERS substrates for efficient detection of biological and organic molecules // Biosensors. 2022. V. 12. № 10. P. 807. DOI: 10.3390/bios12100807
8. Carraro C., Maboudian R., Magagnin L. Metallization and nanostructuring of semiconductor surfaces by galvanic displacement processes // Surf. Sci. Rep. 2007. V. 62. № 12. P. 499–525. DOI: 10.1016/j.surfrep.2007.08.002
9. Coluccio M.L., Gentile F., Francardi M., Perozziello G., Malara N., Candeloro P., Di Fabrizio E. Electroless deposition and nanolithography can control the formation of materials at the nano-scale for plasmonic applications // Sensors. 2014. V. 14. № 4. P. 6056–6083. DOI: 10.3390/s140406056
10. Roy A., Maiti A., Chini T.K., Satpati B. Annealing induced morphology of silver nanoparticles on pyramidal Silicon surface and their application to surface enhanced Raman scattering // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. V. 9. № 39. P. 34405–34415. DOI: 10.1021/acsami.7b08493
11. Šubr M., Petr M., Kylián O., Štěpánek J., Veis M., Procházka M. Anisotropic optical response of silver nanorod arrays: Surface enhanced Raman scattering polarization and angular dependences confronted with ellipsometric parameters // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 4293. DOI: 10.1038/s41598-017-04565-0
12. Zharova Y.A., Ermina A.A., Solodovchenko N.S., Bolshakov V.O., Prigoda K.V., Belskaya N.A., Markov D.P., Grudinkin S.A. Anisotropic process of Ag nanoparticles embedding into c-Si during high-temperature annealing // Appl. Surf. Sci. 2025. V. 682. P. 161549. DOI: 10.1016/j.apsusc.2024.161549
13. Zhu F., Mao B., Yan J. Double electrode systems with microelectrode arrays for electrochemical measurements // Rev. Anal. Chem. 2015. V. 34. № 3-4. P. 87–101. DOI: 10.1515/revac-2015-0012
14. Blanco S., Vargas R., Mostany J., Borrás C., Scharifker B.R. Modeling the growth of nanowire arrays in porous membrane templates // J. Electrochem. Soc. 2014. V. 161. № 8. P. E3341–E3347. DOI: 10.1149/2.039408jes
15. Ermina A.A., Solodovchenko N.S., Prigoda K.V., Levitskii V.S., Bolshakov V.O., Maximov M.Yu., Koshtyal Y.M., Pavlov S.I., Tolmachev V.A., Zharova Y.A. Silver particles embedded in silicon: The fabrication process and their application in surface enhanced Raman scattering (SERS) // Appl. Surf. Sci. 2023. V. 608. P. 155146. DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.155146
16. Uchinokura K., Sekine T., Matsuura E. Raman scattering by silicon // Solid State Commun. 1972. V. 11. № 1. P. 47–49. DOI: 10.1016/0038-1098(72)91127-1
17. Wang Y., Li D., Li P., Wang W., Ren W., Dong S., Wang E. Surface enhanced Raman scattering of brilliant green on Ag nanoparticles and applications in living cells as optical probes // J. Phys. Chem. C. 2007. V. 111. № 45. P. 16833–16839.DOI: 10.1021/jp074519u
18. Mathioudakis G.N., Soto Beobide A., Anastasiadis S.H., Voyiatzis G.A. Surface enhanced Raman scattering of brilliant green: Packing density and stabilizing effect of the cationic surfactant CTAB on the “hotspot” spacing // Colloids Surf. A. 2021. V. 610. P. 125912. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2020.125912
19. Le Ru E.C., Blackie E., Meyer M., Etchegoin P.G. Surface enhanced Raman scattering enhancement factors: A comprehensive study // J. Phys. Chem. C. 2007. V. 111. № 37. P. 13794–13803. DOI: 10.1021/jp0687908
20. Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. Перевод с англ. Под ред. Ржанова А.В., Свиташева К.К. М.: Мир, 1981. 583 с.
Azzam R.M.A., Bashara N.M. Ellipsometry and polarized light. Amsterdam, N.Y., Oxford: North-Holland Publishing Company, 1977. 583 p.
21. Fujiwara H. Spectroscopic ellipsometry: Principles and applications. Chichester: John Wiley & Sons, 2007. 369 p.