[論文レビュー] Percolation threshold gold films on columnar coatings: characterisation for SERS applications

Armandas Balčytis, Tomas Tolenis+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2016

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ナノ構造化された柱状誘電体被膜（SiO₂、TiO₂、MgF₂）上に形成されたパーコレーション閾値の金膜（約15 nm 厚さ）が、標準的な0.75 NA収差で最大10³カウント/(mW·s)の高性能SERS基板を実現することを示している。バックサイド励起によるフレネル近接場効果がSERS強度を最大1.6倍に増幅し、最大5%の位相遅れを有することで偏光制御が可能となり、局所化された電場強度が向上する。

ABSTRACT

Percolation of gold films of ~15 nm thickness was controlled to achieve the largest openings during Au deposition. Gold was evaporated on 300-nm-thick films of nanostructured porous and columnar SiO2, TiO2 and MgF2 which were deposited by controlling the angle, rotation speed during film formation and ambient pressure. The gold films were tested for SERS performance using thiophenol reporter molecules which form a stable self-assembled monolayer on gold. The phase retardation of these SERS substrates was up to 5% for wavelengths in the visible spectral range, as measured by Stokes polarimetry. The SERS intensity on gold percolation films can reach 10^3 counts/(mW.s) for tight focusing in air, while back-side excitation through the substrate has shown the presence of an additional SERS enhancement via the Fresnel near-field mechanism.

研究の動機と目的

• 3次元ナノ構造化された誘電体被膜上にパーコレーション閾値の金膜を用いて、電磁場局所化を向上させたSERS基板の開発。
• 基板を介したバックサイド励起がフレネル近接場効果によりSERS強度をどのように増幅するかを調査すること。
• SERS応用を想定した、パーコレート状Au膜が付着した柱状TiO₂、SiO₂、MgF₂被膜の光学的特性を特徴づけること。
• 二方向性の柱状薄膜（CTFs）がλ/2ウェーブプレートとして機能し、位相を制御することで局所電場を強化する応用を検討すること。

提案手法

• 低真空（10⁻¹ Pa）下で60°または70°の入射角で、グレーシング角蒸着（GLAD）を用いて多孔質で柱状のSiO₂、TiO₂、MgF₂膜を形成した。
• 金膜（約15 nm 厚さ）を誘電体被膜上に蒸着し、連結されたナノ島と大きな隙間を有するパーコレーション閾値の微細構造を実現した。
• トレーサー分子としてチオフェノール自己組織化単層膜を用い、前面および背面からの励起を対象にSERS性能を評価した。
• ストークス偏光測定により、可視光域で最大5%の位相遅れが測定され、二方向性ウェーブプレート的挙動が示された。
• SERS強度を透過率に正規化し、反射率を補正することで、場の局所化に起因する増幅を分離した。
• 理論的モデルでは、電場強度増幅が屈折率の4乗に比例し、収差率に依存する収集効率を考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パーコレーション閾値の金膜を有する柱状誘電体上では、最先端の基板と同等のSERS強度が達成可能か？
• RQ2 基板を介したバックサイド励起が、前面照射と比較してSERS強度をどのように増幅するか？
• RQ3 柱状誘電体膜における最大5%の位相遅れが、SERSにおける局所電磁場をどれほど制御可能か？
• RQ4 二方向性CTFが有効なλ/2ウェーブプレートとして機能し、位相工学によるSERS増幅を制御可能か？
• RQ5 CTFのナノ粗さおよび多孔質構造が、実用的なSERSセンサーフレームワーク統合に与える影響は何か？

主な発見

• SERS強度は、0.75 NAの対物レンズに補正した場合、パーコレート状Au膜で約10³カウント/(mW·s)に達し、一般的な高性能SERS基板と同等の性能を示した。
• バックサイド励起によりSERS強度が前面励起と比較して最大1.6倍に増幅され、フレネル近接場効果に起因する局所電場強度の増大が要因とされた。
• 可視光域で最大5%の位相遅れが測定され、柱状TiO₂およびMgF₂膜に有効な二方向性が示された。
• 理論的分析により、SERS増幅が基板の屈折率の4乗に比例することが確認され、バックサイド励起による観察結果と整合的であった。
• 傾斜角60°および70°の柱状TiO₂膜は、ほぼ同一のSERS応答を示し、300 nm 厚さの範囲で遅れ差が最小限であることが示された。
• CTFの多孔質かつ気体透過性の特性は、ファイバー光ファイバー型またはイン・サイトセンシングプラットフォームへの実用的統合を可能にする可能性を示している。