Materiały plazmoniczne nowej generacji

  • Kierownik projektu: dr hab. Dorota Anna Pawlak, Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych
  • Tytuł projektu: Materiały plazmoniczne nowej generacji
  • Konkurs: MAESTRO 1, ogłoszony 15 czerwca 2011 r.
  • Panel: ST 5

Metalodielektryczne materiały wykazujące zjawiska rezonansowe dla fal elektromagnetycznych z zakresu światła widzialnego i podczerwonego są przedmiotem wzrastającego zainteresowania ze względu na możliwość wykorzystania ich w dziedzinach fotoniki, plazmoniki, metamateriałów. Jak pokazały najnowsze odkrycia naukowe, materiały takie, zwane materiałami plazmonicznymi, wykorzystują specjalną właściwość nanostruktur metalicznych, jaką jest lokalizacja fali elektromagnetycznej w ich bardzo niewielkich objętościach. Skutkuje to powstaniem tak zwanych plazmonów powierzchniowych, czyli kolektywnych oscylacji elektronów na granicy pomiędzy materiałem metalicznym a materiałem dielektrycznym. Powstające pole elektromagnetyczne wokół nanostruktur metalicznych podczas zjawiska rezonansowego (oddziaływanie z padającą na nanocząstkę falą elektromagnetyczną) może być użyte w szeregu aplikacjach, takich jak wzmocnienie: (i) nieliniowych właściwości optycznych, (ii) fotoluminescencji, pochodzącej od jonów ziem rzadkich czy kropek kwantowych, (iii) chemicznej katalizy i innych.

Większość obecnie stosowanych technik otrzymywania materiałów plazmonicznych prowadzi do powstania nanostruktur na podłożach dielektrycznych (jako cienkie warstwy). Objętościowe nanokompozyty plazmoniczne, mimo dużego postępu technologicznego, wciąż stanowią duże wyzwanie dla obecnie stosowanych technologii. Metody obecnie pozwalające na wytworzenie objętościowych nanokompozytów plazmonicznych polegają głównie na domieszkowaniu osnów szklanych jonami metalicznymi i poprzez odpowiednie reakcje redukcji chemicznej otrzymywanie w nich nanocząstek metalicznych.

Materiał leży na czarnym tle, światło przechodzące przez materiał jest pochłaniane przez czarne tło, a do obserwatora dociera tylko światło rozproszone (stąd kolor niebieski - rezonansowy).
Materiał leży na białym tle, światło przechodzi przez materiał, odbija się od białego tła i wraca do obserwatora. Obserwator widzi materiał w świetle przechodzącym. Przy przejściu przez materiał zaabsorbowany zostaje kolor resonansowy – niebieski, a do obserwatora dociera kolor komplementarny - żółty.

Rys. 1. Objętościowy materiał nanoplazmoniczny wykazujący rezonans plazmonów powierzchniowych dla światła niebieskiego, otrzymany przy pomocy metody bezpośredniego domieszkowania nanocząstkami, opracowanej w ITME. Materiał złożony jest z matrycy szklanej domieszkowanej nanocząstkami srebra. Rezonans plazmonowy oznacza między innymi zwiększenie absorpcji oraz rozpraszania w zakresie długości fali rezonansowej. Gdy materiał leży na czarnym tle, światło przechodzące przez materiał jest pochłaniane przez czarne tło, a do obserwatora dociera tylko światło rozproszone (stąd kolor niebieski - rezonansowy). Gdy materiał leży na białym tle, światło przechodzi przez materiał, odbija się od białego tła i wraca do obserwatora. Obserwator widzi materiał w świetle przechodzącym. Przy przejściu przez materiał zaabsorbowany zostaje kolor resonansowy – niebieski, a do obserwatora dociera kolor komplementarny - żółty. Zapraszamy na stronę internetową do obejrzenia zmiany koloru na filmie.

Zdjęcie prętów szkła domieszkowanego nanocząstkami srebra oraz współdomieszkowanego nanocząstkami srebra (nAg) i jonami erbu (Er3+). Naniesiony wykres przedstawia pomiar fotoluminescencji dla szkła domieszkowanego nanocząstkami srebra i jonami erbu i szkła domieszkowanego samymi jonami erbu, szkła domieszkowanego samymi nanocząstkami srebra i szkła niedomieszkowanego.

Rys. 2. Zdjęcie prętów szkła domieszkowanego nanocząstkami srebra oraz współdomieszkowanego nanocząstkami srebra (nAg) i jonami erbu (Er3+). Naniesiony wykres przedstawia pomiar fotoluminescencji dla szkła domieszkowanego nanocząstkami srebra i jonami erbu i szkła domieszkowanego samymi jonami erbu, szkła domieszkowanego samymi nanocząstkami srebra i szkła niedomieszkowanego.

W Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) w ramach projektu MAESTRO opracowana została szybka, nie wymagająca dużych nakładów finansowych metoda wytwarzania objętościowych nanokompozytów plazmonicznych. Metoda ta opiera się na domieszkowaniu osnów dielektrycznych bezpośrednio nanocząstkami metalicznymi (plazmonicznymi) i pozwala ona na otrzymanie nanokompozytów plazmonicznych metodą niechemiczną (nie wymagającą użycia jonów metalicznych). Rys. 1 przedstawia otrzymany w ITME w ramach projektu MAESTRO nanokompozyt w postaci szkła fosforowego domieszkowanego nanocząstkami srebra. Kompozyt charakteryzuje się wykazywaniem rezonansu plazmonów powierzchniowych, objawiającego się zwiększoną absorpcją i rozpraszaniem fali świetlnej dla częstotliwości rezonansowej. W wyniku tego, że jednocześnie rozpraszaną i absorbowaną falą świetlną jest fala niebieska powstaje interesujące zjawisko optyczne zwane dichroizmem optycznym (a więc zmianą koloru obiektu w zależności od tego, czy światło jest przez niego rozpraszane czy transmitowane). Dzięki wykorzystaniu efektu rezonansu plazmonów powierzchniowych w ramach projektu osiągnięte zostało m.in. wzmocnienie efektu fotoluminescencji dla szkła domieszkowanego jonami erbu i nanocząstkami srebra w stosunku do szkła bez nanocząstek srebra (Rys. 2).Wzmocniona długość fali znajduje się w okienku optycznym wykorzystywanym powszechnie w telekomunikacji światłowodowej.

Aparatura używana w ITME do otrzymywania objętościowych nanokompozytów plazmonicznych.

Rys. 3. Aparatura używana w ITME do otrzymywania objętościowych nanokompozytów plazmonicznych.

W ramach projektu wykonywane są też kompozyty domieszkowane kropkami kwantowymi, a więc nanocząstkami półprzewodnikowymi o niezwykle efektywnej wydajności optycznej (fotoluminescencja) zależnej od ich rozmiaru. Kompozyty takie współdomieszkowane nanocząstkami srebra mają szanse być wykorzystane jako biosensory biologiczne wykrywające zmiany nowotworowe w bardzo wczesnych stadiach rozwoju nowotworu.

Zdjęcie portretowe prof. Doroty A. Pawlak

dr hab. Dorota A. Pawlak, prof. ITME

Kierownik Zakładu Materiałów Funkcjonalnych w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych, prezes Polskiego Towarzystwa Wzrostu Kryształów, koordynator pierwszego w 7-mym Programie Ramowym projektu europejskiego w dziedzinie nanomateriałów koordynowanego z Polski, laureatka projektu TEAM (FNP), projektów MAESTRO, HARMONIA (NCN). Wraz z zespołem wykorzystuje metody wzrostu kryształów do uzyskiwania materiałów kompozytowych o szczególnych właściwościach elektromagnetycznych.

Zespół profesor Doroty A. Pawlak

Zespół prof. D. A. Pawlak

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Data publikacji: 02.11.2015