Prijeđite na glavni sadržaj

Novi rad fizičara u uglednom časopisu Applied Surface Science

12.11.2020.

Znanstvenici Laboratorija za molekulsku fiziku i sinteze novih materijala IRB-a dr. sc. Dubravko Risović, dr. sc. Hrvoje Gebavi i dr. sc. Mile Ivanda objavili su u prestižnom časopisu Applied Surface Science (IF: 6.2) rad pod naslovom 'Influence of fractal and lacunar characteristic of a nanostructured substrate on SERS enhancement’. Rezultati istraživanja uvelike doprinose razumijevanju utjecaja dosada neistraženih topoloških aspekata, odnosno fraktalnosti i lakunarnosti, nanostrukturiranih podloga na površinski pojačano Ramanovo raspršenje (surface-enhanced Raman spectroscopy – 'SERS').

Novi rad fizičara u uglednom časopisu Applied Surface Science

dr. sc. Dubravko Risović, dr. sc. Hrvoje Gebavi i dr. sc. Mile Ivanda

Optička svojstva nanostrukturiranih materijala imaju presudnu ulogu u brojnim naprednim i raznolikim primjenama. Među njima je i upotreba nanostrukturiranih podloga za površinski pojačano ramansko raspršenje (SERS) čija optička svojstva imaju snažan utjecaj na pojačavanje ramanskog signala.

SERS je visoko osjetljiva spektroskopska tehnika koja koristi efekt pojačanja slabog ramanskog raspršenja na molekulama adsorbiranim na nanostrukturiranim ili hrapavim metalnim površinama. Zahvaljujući pojačanju signala koji može iznositi više redova veličine, tehnika ima potencijal detektiranja jedne molekule. Točan mehanizam efekta pojačavanja SERS-a još uvijek je predmet rasprave u literaturi.

Međutim, sada se općenito smatra da je mehanizam elektromagnetskog pojačanja dominantan u procesu SERS-a. Prema ovom modelu, inherentno slabi Ramanski signali, koji potječu od molekula adsorbiranih na površini supstrata i osvjetljenih laserom, pojačavaju se za nekoliko redova veličine ako su molekule lokalizirane u nanorazmjernim područjima intenzivnih optičkih polja, tj. zarobljene između susjednih plazmonskih površina u supstratu, tzv. “vrućim točkama” . Budući da intenzitet SERS signala ovisi o interakciji analit - plazmon koja nastaje nakon adsorpcije molekula analita na SERS supstrat, SERS supstrat igra presudnu ulogu u procesu pojačanja.

U tom kontekstu pozornost se nedavno usmjerila na fraktalne nanostrukture zbog njihovih izuzetnih performansi u SERS-u. Teoretski, takve strukture ne mogu podržati uobičajeno širenje elektromagnetskih valova zbog nedostatka translacijske invarijantnosti. Stoga se plazmonski valovi lokaliziraju unutar fraktala. S obzirom na to da  su interakcije dugog dosega potisnute, pojedinačni dipolarni moduli metalnih čestica, koji su prostorno lokalizirani, pojačavaju polje unutar ovih nanoskopskih područja supstrata što rezultira iznimnim pojačanjem SERS signala.

Teoretsko i eksperimentalno istraživanje utjecaja fraktalnih i lakunarnih karakteristika provedeno je na  SERS podlogama od silicijskih nanožica obloženih sa srebrom. Metoda sinteze Si nanožica koja je dala različite fraktalne/lakunarne strukture poznata je kao 'vapour-liquid-solid' (VLS) metoda.

U najnovijem radu su analizirane međusobne interakcije svojstava nanostrukturirane podloge dugog dosega, njene fraktalne topologije i lokalnih značajki kratkog dosega na nanometarskoj skali povezanih s raspodjelom međužičnih praznina (tj. lakunarnosti) koje snažno utječu na pojačanje lokalnog polja, što posljedično  rezultira u značajnom porastu SERS-a. Rezultati istraživanja su pokazali da fraktalna dimenzija i lakunarnost nanostrukturiranih SERS podloga imaju snažan utjecaj na pojačanje SERS-a.

Dodatno su pokazali da postoji snažna korelacija između povećanja intenziteta Ramanovog raspršenja i odgovarajuće fraktalne dimenzije i lakunarnosti razmatrane podloge. Nije pronađena povezanost između stupnja multifraktalnosti i faktora pojačanja.

Uočene korelacije objašnjene su u okviru teorije perkolacije. Naime, znanstvenici su pokazali da je primijećeni nagli porast SERS-a koji se javlja u strukturi silicijskih nano-žica (SiNW) s D > Dpc rezultat faznog prijelaza drugog reda – perkolacije. Pojava perkolacije, identificirana s odgovarajućom fraktalnom dimenzijom Dpc, rezultira skokom faktora pojačanja. Dakle, perkolirane nanostrukturirane podloge pokazuju visok SERS odziv.

Drugi parametar koji značajno utječe na poboljšanje je lakunarnost koja je povezana s raspodjelom veličine međuprostora između nanožica i posljedično utječe na raspodjelu lokaliziranih optičkih pobuđenja, odnosno prostornih položaja 'vrućih točaka'.

Najveće pojačanje Ramanovog raspršenja dobiveno je na podlozi s perkoliranom strukturom koja nema translacijske invarijantnost, na što ukazuje visoka lakunarnost.

Povrh toga, za perkoliranu strukturu pokazano je da snažno pojačana Ramanska emisija, uslijed višestrukih procesa raspršenja, ovisi o rezonantnom podudaranju valne duljine pobude s veličinama heterogenosti fraktalnog rasporeda silicijskih nano-žica (SiNWs) karakteriziranim s velikom lakunarnosti.

Kako pojačano Ramanovo raspršenje ovisi o fraktalnim i lakunarnim karakteristikama podloge koje se pak određene s temperaturom sinteze, vremenom depozicije i parcijalnim tlakom aktivnog plin, moguće je dizajnirati podloge s optimalnim karakteristikama. Opažene performanse čine ovu novu fraktalnu arhitekturu mreže SiNW vrlo obećavajućom i pouzdanom podlogom za SERS.

Ova stranica koristi kolačiće

neki od tih kolačića nužni su za ispravno funkcioniranje stranice, dok se drugi koriste za praćenje korištenja stranice radi poboljšanja korisničkog iskustva.

Za više informacija pogledajte naše uvjete korištenja.

  • Kolačići koji su nužni za ispravno funkcioniranje stranice. Moguće ih je onemogućiti u postavkama preglednika.