ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2017, № 10 · ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Усиление эффекта SERS поверхностной волной в фотонном кристалле

И.А. Богинская1, Р.А. Сиразов2, И.А. Нечепуренко1,3, А.В. Дорофеенко1,2,3, И.В. Быков1, К.Н. Афанасьев1, М.В. Седова1, И.А. Рыжиков1, А.П. Виноградов1,2, А.В. Еременко4,5, И.А. Будашов4,5, И.Н. Курочкин4,5

1 Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН, Россия
2 Московский физико-технический институт (государственный университет)
3 Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Духова, Россия
4 Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, Россия
5 МГУ им. Ломоносова, Россия
Полный текст (PDF) УДК 621.373.826 EDN ZTLVSP

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.

  • комбинационное рассеяние
  • фотонные кристаллы
  • поверхностные волны
  • эллипсометрия
Abstract (in English)

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.

Для цитирования

Богинская И.А., Сиразов Р.А., Нечепуренко И.А., Дорофеенко А.В., Быков И.В., Афанасьев К.Н., Седова М.В., Рыжиков И.А., Виноградов А.П., Еременко А.В., Будашов И.А., Курочкин И.Н. Усиление эффекта SERS поверхностной волной в фотонном кристалле // Журнал радиоэлектроники. – 2017. – № 10.

Литература

  1. N. Colthup. Introduction to infrared and Raman spectroscopy. Elsevier, 2012.
  2. J. C. Tsang, J. R. Kirtley, J. A. Bradley. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy and Surface Plasmons // Physical review letters. - 1979. - V. 43. - N 11. - P. 772-775.
  3. G. L. Eesley. Relationship between surface-plasmon radiation and enhanced adsorbate Raman scattering // Physical Review B. - 1981. - V. 24. - N 10. - P. 5477-5484.
  4. K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld. Single molecule detection using surface-enhanced Raman scattering (SERS) // Physical review letters. - 1997. - V. 78. - N 9. - P. 1667.
  5. R. M. Jarvis, R. Goodacre. Characterisation and identification of bacteria using SERS // Chemical Society Reviews. - 2008. - V. 37. - N 5. - P. 931-936.
  6. M. D. Porter, R. J. Lipert, L. M. Siperko, G. Wang, R. Narayanan. SERS as a bioassay platform: fundamentals, design, and applications // Chemical Society Reviews. - 2008. - V. 37. - N 5. - P. 1001-1011.
  7. R. D. Meade, K. D. Brommer, A. M. Rappe, J. Joannopoulos. Electromagnetic Bloch waves at the surface of a photonic crystal // Physical Review B. - 1991. - V. 44. - N 19. - P. 10961.
  8. А. П. Виноградов, А. В. Дорофеенко, А. М. Мерзликин, А. А. Лисянский. Поверхностные состояния в фотонных кристаллах // Успехи физических наук. - 2010. - V. 180. - N 3. - P. 249-263.
  9. V. V. Moskalenko, I. V. Soboleva, A. A. Fedyanin. Surface wave-induced enhancement of the Goos-Hänchen effect in one-dimensional photonic crystals // JETP Letters. - 2010. - V. 91. - N 8. - P. 382-386.
  10. A. I. Ignatov, A. M. Merzlikin, M. Levy, A. P. Vinogradov. Formation of degenerate band gaps in layered systems // Materials. - 2012. - V. 5. - N 6. - P. 1055-1083.
  11. И. А. Нечепуренко, А. В. Дорофеенко, А. П. Виноградов, И. Н. Курочкин. Усиление комбинационного рассеяния поверхностной волной в фотонном кристалле // Вестник Московского Университета. Серия 2. Химия. - 2015. - V. 56. - N 3. - P. 142-146.
  12. R. D. Meade, K. D. Brommer, A. M. Rappe, J. D. Joannopoulos. Electromagnetic Bloch waves at the surface of a photonic crystal // Physical Review B. - 1991. - V. 44. - N 19. - P. 10961-10964.
  13. S. Pirotta, X. Xu, A. Delfan, S. Mysore, S. Maiti, G. Dacarro, M. Patrini, M. Galli, G. Guizzetti, D. Bajoni. Surface-enhanced Raman scattering in purely dielectric structures via Bloch surface waves // The Journal of Physical Chemistry C. - 2013. - V. 117. - N 13. - P. 6821-6825.
  14. X.-M. Qian, S. Nie. Single-molecule and single-nanoparticle SERS: from fundamental mechanisms to biomedical applications // Chemical Society Reviews. - 2008. - V. 37. - N 5. - P. 912-920.
  15. F. Villa, L. E. Regalado, F. Ramos-Mendieta, J. Gaspar-Armenta, T. Lopez-Ríos. Photonic crystal sensor based on surface waves for thin-film characterization // Optics Letters. - 2002. - V. 27. - N 8. - P. 646-648.