УДК 621.373.826

Усиление эффекта SERS поверхностной волной в фотонном кристалле

 

И. А. Богинская ¹, Р. А. Сиразов ³, И. А. Нечепуренко ^1,2, А. В. Дорофеенко ^1,2,3, И. В. Быков ¹, К. Н. Афанасьев ¹,
М. В. Седова ¹, И. А. Рыжиков ¹,  А. П. Виноградов ^1,2,3, А. В. Еременко ^4,5, И. А. Будашов ^4,5, И. Н. Курочкин ^4,5

¹ Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН,  125412, Москва, ул. Ижорская, 13

² Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Духова, 127055, Москва, Сущевская ул., 22

³ Московский физико-технический институт (государственный университет), 141700, Долгопрудный, Институтский пер., 9

⁴ Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, 119334, Москва, ул. Косыгина, 4

⁵ Химический факультет МГУ им. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы, 1, стр. 3

 

Статья поступила в редакцию 11 октября 2017 г.

 

Аннотация. В работе продемонстрировано усиление гигантского комбинационного рассеяния света (SERS) с использованием одномерного фотонного кристалла (ФК) в качестве резонансной подложки. В режиме нарушенного полного внутреннего отражения (схема Кречманна) на поверхности ФК/вакуум, где расположен слой SERS, возникает высокая интенсивность поля, связанная с наличием поверхностной волны. Путем численных расчетов показано, что предлагаемый метод может повысить чувствительность традиционных методов SERS на 2–3 порядка. Продемонстрирована методика определения качества многослойной подложки с помощью эллипсометрии.

Ключевые слова: комбинационное рассеяние, фотонные кристаллы, поверхностные волны, эллипсометрия.

Abstract. Surface enhanced Raman scattering (SERS) effect enhancement with a dielectric multilayer structure (1D photonic crystal) is proposed. The photonic crystal is used as a resonant substrate. The enhancement is due to the high field intensity at the PC/vacuum interface, where the SERS-active layer is placed. Numerical calculations show a possibility of 2-3 orders enhancement of SERS signal. We also propose a method of photonic crystal quality characterization with the use of spectroscopic ellipsometry. In the hypothetic lossless case the amplitude reflection coefficient does not reveal the presence of resonance. Only the phase of the reflection coefficient shows a resonant behavior, which is seen in the ellipsometric spectrum. Losses in the real system, which are caused by scattering and absorption, lead to the appearance of dip in the amplitude reflection spectrum. At some value of losses, the dip falls to zero, which is analogous to the same situation in Kretschmann effect. Further growth of losses leads to the decrease in the dip depth. We have shown that transition through the point of zero reflection is accompanied by an abrupt change in the ellipsometric spectrum. Thus, we argue that only the structures, which have losses below the aforementioned value, may be efficient as resonant SERS substrates.

Keywords: Raman scattering, photonic crystal, surface waves, ellipsometry.

Ссылка на статью:

И. А. Богинская, Р. А. Сиразов, И. А. Нечепуренко, А. В. Дорофеенко, И. В. Быков, К. Н. Афанасьев, М. В. Седова, И. А. Рыжиков, А. П. Виноградов, А. В. Еременко, И. А. Будашов, И. Н. Курочкин. Усиление эффекта SERS поверхностной волной в фотонном кристалле. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2017. №10. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/oct17/8/text.pdf