Multispectral Enhancement and Detection of IR Absorption in Semiconductor and Organic Nanostructures on Metal Nanoantenna Arrays

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

We report on the study of surface-enhanced IR absorption at the frequencies of optical vibrational modes in semiconductor nanocrystals and organic films of monolayer thickness deposited on arrays of gold nanoantennas.
The structural parameters of nanoantennas are chosen in such a way as to ensure the interaction of vibrational modes with localized surface plasmon resonances (LSPR) arising in arrays of metallic (Au) nanoantennas under external electromagnetic radiation. Using the 3D electrodynamic modeling, the relationship between the structural parameters of plasmon arrays and their LSPR frequencies has been established. Arrays of plasmonic linear and H-shaped nanoantennas were fabricated using nanolithography. The LSPR frequencies of the plasmon structures are determined from the analysis of IR transmission spectra, which strongly depend on the morphology of metallic nanostructures and vary in a wide spectral range depending on the aspect ratio of geometric dimensions. The results of a comparative analysis of the enhancement of the IR absorption by optical phonons of nanocrystals
deposited on arrays of nanoantennas on the Si, SiO2 surface, and SiO2 pedestal are presented. The possibility of implementing an optical sensor containing nanoantenna arrays and possessing several LSPRs for selective detection of a small amount of matter is shown.

About the authors

Alexander G. Milekhin

Rzhanov Institute of Semiconductor Physics, SB RAS

Author for correspondence.
Email: milekhin@isp.nsc.ru
Russian Federation, 13 Lavrentiev Ave., Novosibirsk, 630090, Russia

Lyudmila S. Basalaeva

Rzhanov Institute of Semiconductor Physics, SB RAS

Email: basalaeva@isp.nsc.ru
Russian Federation, 13 Lavrentiev Ave., Novosibirsk, 630090, Russia

Nina N. Kurus

Rzhanov Institute of Semiconductor Physics, SB RAS

Email: kurus@isp.nsc.ru
Russian Federation, 13 Lavrentiev Ave., Novosibirsk, 630090, Russia

Sergei A. Kuznetsov

Rzhanov Institute of Semiconductor Physics SB RAS,
Novosibirsk Branch “TDIAM”

Email: sakuznetsov@nsu.ru
Russian Federation, 2/1 Lavrentiev Ave., Novosibirsk, 630090, Russia

Ekaterina E. Rodyakina

Rzhanov Institute of Semiconductor Physics, SB RAS

Email: rodyakina@isp.nsc.ru
Russian Federation, 13 Lavrentiev Ave., Novosibirsk, 630090, Russia

Ilya A. Milekhin

Novosibirsk State University

Email: i.milekhin@g.nsu.ru
Russian Federation, 1 Pirogova Str., Novosibirsk, 630090, Russia

Roman B. Vasiliev

Lomonosov Moscow State University

Email: romvas@inorg.chem.msu.ru
Russian Federation, 1 Leninskie Gory, Moscow, 119991, Russia

Anton K. Gutakovskii

Rzhanov Institute of Semiconductor Physics, SB RAS

Email: gut@isp.nsc.ru
Russian Federation, 13 Lavrentiev Ave., Novosibirsk, 630090, Russia

References

  1. L.H. Little. Infrared Spectra of Adsorbed Species. UK, London: Academic Press Inc., 1966. 428 pp. doi: 10.1016/0022-2860(68)87063-2.
  2. F.M. Hoffmann. Surf. Sci. Rep., 1983, 3, 109. doi: 10.1016/0167-5729(83)90001-8.
  3. M. Osawa. In Handbook of Vibrational Spectroscopy, eds. J.M. Chalmers, P.R. Griffiths. USA, NY, New York: John Wiley and Sons, 2002. 785 pp.
  4. R. Aroca. Surface Enhanced Vibrational Spectroscopy. USA, New Jersey: John Wiley & Sons, 2006. 233 pp. doi: 10.1002/9780470035641.
  5. A. Hartstein, J.R. Kirtley, J.C. Tsang. Phys. Rev. Lett., 1980, 45, 201. doi: 10.1103/PhysRevLett.45.201.
  6. M. Osawa. In Near-Field Optics and Surface Plasmon Polaritons, Ser. Topics in Applied Physics, Vol. 81, ed. S. Kawata. FRG, Berlin, Heidelberg: Springer Verlag, 2001, pp. 163–187. doi: 10.1007/3-540-44552-8_9.
  7. Nanoantenna: Plasmon-Enhanced Spectroscopies for Biotechnological Applications, eds. M.L. de la Chapelle, A. Pucci. USA, NY, New York: Jenny Stanford Publishing, 2013. 452 pp. doi: 10.1201/b14594.
  8. P. Biagioni, J.-S. Huang, B. Hecht. Rep. Prog. Phys., 2012, 75, 024402-1-40. doi: 10.1088/0034-4885/75/2/024402.
  9. L. Razzari et al. Plasmonics, 2013, 8, 133. doi: 10.1007/s11468-012-9439-0.
  10. C. D’Andrea et al. ACS Nano, 2013, 7, 3522. doi: 10.1021/nn4004764.
  11. S. Aksu et al. Nano Lett., 2010, 10, 2511. doi: 10.1021/nl101042a.
  12. F. Neubrech et al. Phys. Rev. Lett., 2008, 101, 157403. doi: 10.1103/PhysRevLett.101.157403.
  13. R. Adato et al. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2009, 106, 19227. doi: 10.1073/pnas.0907459106.
  14. D. Dregely et al. Nat. Commun., 2013, 4, 2237. doi: 10.1038/ncomms3237.
  15. D.-K. Lee et al. Sci. Rep., 2015, 5, 15459. doi: 10.1038/srep15459.
  16. A. Toma et al. Nano Lett., 2015, 15, 386. doi: 10.1021/nl503705w.
  17. A.G. Milekhin et al. Beilstein J. Nanotechnol., 2017, 8, 975. doi: 10.3762/bjnano.8.99.
  18. A.G. Milekhin et al. J. Phys. Chem. C, 2017, 121(10), 5779. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b11431.
  19. I.A. Milekhin et al. Beilstein J. Nanotechnol., 2016, 7, 1519. doi: 10.3762/bjnano.7.145.
  20. F. Neubrech et al. ACS Nano, 2014, 8(6), 6250. doi: 10.1021/nn5017204.
  21. D. Weber et al. Opt. Express, 2011, 19(16), 15047. doi: 10.1364/OE.19.015047.
  22. F. Neubrech et al. Chem. Rev., 2017, 117, 5110. doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00743.
  23. K. Chen, R. Adato, H. Altug. ACS Nano, 2012, 6(9), 7998. doi: 10.1021/nn3026468.
  24. N.A. Yeryukov et al. Thin Solid Films, 2013, 543, 35. doi: 10.1016/j.tsf.2013.03.070.
  25. N.N. Kurus et al. J. Phys. Chem. C, 2022, 126(16), 7107. doi: 10.1021/acs.jpcc.2c00276.
  26. D.A. Kurtina et al. RFBR Journal (Vestnik RFFI), 2019, 3(103), 26. doi: 10.22204/2410-4639-2019-103-03-26-34.
  27. A.G. Milekhin et al. J. Phys. Chem. C, 2012, 116, 17164. doi: 10.1021/jp210720v.
  28. ASYS HFSS. https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-hfss.
  29. B.A. Munk. Frequency Selective Surfaces: Theory and Design. USA, NY, New York: John Wiley & Sons, 2000. 440 pp.
  30. Handbook of Optical Constants of Solids in 5 Vols, vol. 3, ed. E.D. Palik. USA, MA, Cambridge: Elsevier Inc., Academic Press, 1998. 999 pp.
  31. M.A. Ordal et al. Appl. Opt., 1983, 22, 1099. doi: 10.1364/ao.22.001099.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Milekhin A.G., Basalaeva L.S., Kurus N.N., Kuznetsov S.A., Rodyakina E.E., Milekhin I.A., Vasiliev R.B., Gutakovskii A.K.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».