ФЦП БРИКС

Этап 1

Отчет о выполненом исследовании

Статьи

  1. Hybrid nanocavity for molecular sensing
    Valentin A. Milichko, Kristina S. Frizyuk, Pavel A. Dmitriev, Dmitry A. Zuev, George P. Zograf, Sergey V. Makarov, Pavel A. Belov
  2. Nanoscale optical high-temperature sensor
    George P. Zograf, Mihail I. Petrov, Ivan S. Sinev, Anton K. Samusev, Dmitry A. Zuev, Valentin A. Milichko, Sergey V. Makarov

Этап 2

Отчет о выполненом исследовании

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 03.10.2017 г. № 14.584.21.0024 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014- 2020 годы» на этапе № 2 в период с 01.01.2018 г. по 31.12.2018 г. выполнялись следующие работы:

Описание результатов работ, выполненных за счет средств субсидии:

  • Проведена теоретическая оптимизация параметров диэлектрических и гибридных наночастиц, наноструктур и метаповерхностей, обладающих наилучшими оптическими свойствами для задач сенсинга;
  • Проведен расчет фактора Парселла для наноэмиттеров света возле и внутри таких структур;
  • Изготовлены наночастицы с оптимизированными параметрами, наноструктур и метаповерхностей при помощи освоенных на первом этапе методов лазерной абляции;
  • Изготовлены наночастицы с оптимизированными параметрами, наноструктур и метаповерхностей с использованием метода трансфера наночастиц на различные подложки;
  • Проведена экспериментальная характеризация оптических свойств созданных структур методами спектроскопии пропускания, отражения и рассеяния в видимом диапазоне.

Описание результатов работ, выполненных (выполняемых) за счет внебюджетных средств:

Чжэцзянский университет:

  • Проведена экспериментальная реализация диэлектрических и гибридных наноструктур, созданных с помощью электронной литографии и плазменного травления и оптимизированных для сенсорных приложений;
  • Проведено исследование оптических свойств созданных структур методами спектроскопии пропускания, отражения и рассеяния в видимом диапазоне;
  • Проведена оптимизация дизайна наноструктур с учетом полученных экспериментальных результатов;
  • Измерены зависимости оптических свойств структур от параметров окружающей среды (подложки, температуры).

В ходе второго этапа выполнения Проекта были изучены оптические резонансные свойства созданных при помощи разработанных и оптимизированных на первом этапе методик одиночных диэлектрических и гибридных наночастиц, наноструктур, а также метаповерхностей. Анализ показал зависимость добротностей, спектральных положений и эффективностей возбуждений оптических мод (состояний) в таких наноструктурах, в зависимости от геометрических и материальных параметров образца при использовании методик спектроскопий отражения, прохождения и рассеяния.

ЦОНП:

  • Проведена экспериментальная реализация оптического захвата диэлектрических и гибридных наночастиц, созданных российской стороной в ходе выполнения проекта;
  • Проведено теоретическое моделирование процесса оптического захвата диэлектрических и гибридных наночастиц;
  • Проведено теоретическое моделирование оптических свойств диэлектрических и гибридных наночастиц, закрепленных на заостренном конце диэлектрического волновода путем оптического захвата;
  • Проведено экспериментальное исследование резонансных свойств (через спектры рассеяния) диэлектрических и гибридных наночастиц, закрепленных на заостренном конце диэлектрического волновода путем оптического захвата.

В ходе второго этапа выполнения работ по Проекту были изучены теоретические механизмы и экспериментальная реализация оптического захвата одиночных диэлектрических и гибридных наноструктур, созданных на предыдущем этапе проекта. Также уделено особое внимание процессам захвата таких наночастиц при помощи диэлектрического наноострия, процесс создания которых был оптимизирован на прошлом этапе. Было изучеено влияние возбуждаемых оптических мод на механизмы захвата, а также на изменение и динамику спектров упругого рассеяния в видимой области одиночных наночастиц, оптически захваченных наноострием.

На втором этапе были получены:

  • Материальные и геометрические параметры диэлектрических и гибридных наноантенн с оптимальными для задач сенсинга характеристиками.
  • Материальные и геометрические параметры диэлектрических и гибридных наноантенн для управления фактором Парселла наноэмиттеров света возле и внутри таких наноантенн.
  • Метод лазерной абляции, оптимизированный для создания наноантенн и метаповерхностей.
  • Метод для создания резонансных наноструктур, сочетающий метод лазерной абляции и методику переноса одиночных наночастиц на кончике зонда в СЭМ.
  • Образцы диэлектрических наноантенн, наноструктур и метаповерхностей.

Область исследований (нанофотоника и сенсорика), проводимых в проекте, является актуальной и быстроразвивающейся в России и мире. Разрабатываемая концепция создания устройств нанофотоники на базе диэлектрических и гибридных наноструктур и метаповерхностей позволит существенно расширить функциональность существующих устройств сенсорики и оптоэлектроники и создать новый класс принципиально новых сверхбыстрых многофункциональных сенсоров, устройств нанофотоники, управляемых оптическими сигналами. Поставленные задачи и программа их решения, а также достигнутые результаты не имеют прямых аналогов.

Область диэлектрической и гибридной нанофотоники и наноантенн является областью высокого научного интереса и интенсивно развивающейся. За последние несколько лет были достигнуты значительные успехи в этой области в группах Юрия Кившаря (Австралия), Арсения Кузнецова (Сингапур), Romain Quidant (Испания), Stefan Maier (Великобритания), Naomi Halas (США) и др. При этом данный проект направлен на создание биосенсоров нового поколения, способных обеспечить высокую чувствительность и стабильность работы в реальных условиях их использования. К основным предназначениям таких биосенсоров можно отнести детектирование сверхмалых концентраций опасных веществ, микроорганизмов и химических соединений в воде, воздухе и твердых субстратах. Среди существующих успешных научных направлений, ставящих перед собой задачу решить данную проблему, можно выделить следующие: развитие плазмоники и создание плазмонных наноструктур для детектирования единичных молекул в режиме реального времени за счет высокой чувствительности частоты плазмонного резонанса к химическому и физическому окружению [Kuznetsov, Arseniy I. , et al. , Science 354.6314 (2016):aag2472]; развитие волоконно-оптических методов детектирования молекул в растворах и воздухе [Petryayeva, Eleonora, and Ulrich J. Krull, Analytica chimica acta 706.1 (2011): 8-24.] за счет высокой чувствительности добротности волоконных резонаторов к химическому окружению; использование электрических схем [Baffou, Guillaume, and Romain Quidant, Laser & Photonics Reviews 7.2 (2013): 171-187], работающих по принципу изменения вольт-амперных характеристик устройства при контакте активного элемента с молекулами окружающей среды; и, наконец, возникшее первым, направление – детектирование молекул за счет химической реакции с реагентом [Maier, Stefan Alexander. Plasmonics: fundamentals and applications. Springer Science & Business Media, 2007], позволяющей проводить селективное детектирование с наименьшими затратами. Все вышеперечисленные научные направления сталкиваются с рядом принципиальных недостатков, связанных со сложностью контроля температуры в часто применяемых для этих целей плазмонных наносистемах. Поиск наиболее оптимального решения проблемы создания эффективных и удобных в использовании биосенсоров привел совместный российско-индийский-китайский коллектив к развитию нового научного направления (диэлектрические и металлодиэлектрические нанофотонные сепнсоры), позволяющего избежать недостатки существующих популярных направлений и оптимизировать работу биосенсоров, заключается в использовании положительных моментов плазмоники и диэлектрической фотоники: высокая степень локализации оптических полей плазмонными элементами для увеличения взаимодействия излучения с единичными молекулами для достижения фундаментальных пределов чувствительности; возбуждение отдельно электрических и магнитных оптических резонансов в диэлектрических элементах, позволяющее увеличить взаимодействие магнитного поля оптических частот как с самими элементами, так и с молекулами, что ранее было принципиально невозможно, но существенно для большинства биологических веществ и соединений, содержащих ионы железа (этой особенностью не обладает ни один сенсор, изготовленный по существующим технологиям); кристалличность диэлектрических компонент, обеспечивающая как измерение температур окружения на наномасштабе, так и эффективный теплоотвод, снижающие эффект тепловой деградации плазмонных элементов (этой особенностью также не обладает ни один сенсор, изготовленный по существующим технологиям); высокая биосовместимость диэлектрических элементов за счет оксидного слоя. Таким образом, проводимые исследовании и получаемые результаты соответствуют мировому уровню.

Детектирование одиночных молекул взрывчатых, наркотических или токсичных веществ в газах или жидкостях является крайне важной проблемой, в том числе для России, Индии и Китая. Высокоэффективный экспресс-анализ качества питьевой воды и быстрое обнаружение наличия токсичных, а также взрывоопасных веществ в общественных местах повысили бы эффективность борьбы с пищевыми отравлениями, террористическими угрозами и обеспечили бы производственную безопасность. Кроме того, возможными областями применения метаповерхностей на базе диэлектрических и гибридных наноструктур, являются: солнечная энергетика, системы связи и оптические шины передачи данных, оптические компьютеры и квантовые вычислительные системы нового поколения, оптические фильтры, и т.д. Полученные результаты обладают большим потенциалом использования в существующих высокотехнологичных устройствах сенсорики, оптоэлектроники и перспективных нанофотонных сенсорных системах. Дальнейшие работы, развивающие полученные в ходе данного исследования результаты и/или адаптирующие их для серийного промышленного производства нанофотонных сенсоров нового поколения, несомненно обеспечат лидирующие позиции в этих высокотехнологичных областях. Полученные результаты будут использованы для формирования в России научно-технологического задела в перспективных областях диэлектрической и гибридной нанофотоники для задач сенсорики и экспресс анализа, и в дальнейшем могут быть использованы для формирования глобально конкурентоспособной и высокотехнологичной продукции нового поколения, которая позволит увеличить долю экспорта отечественной высокотехнологичной продукции на мировом рынке. Разрабатываемые сенсорные нанофотонные системы особенно важны для международного сотрудничества в таких областях как экология, биомедицина. При этом емкость мирового рынка для применения высокоэффективных систем экспресс-анализа на базе диэлектрических и гибридных структур на данный момент фактически не ограничена, так как качественный переход от классических «электронных» устройств к перспективным фотонным наносистемам потребует как интеграции разрабатываемых сенсорных устройств в существующие технологии, так и разработки и создания концептуально новых полностью нанофотонных устройств сенсорики и экспресс диагностики.

Разработанные наносенсоры на основе перечисленных структур благодаря уникальным возможностям по контролю света обеспечат качественный скачок в развитии оптических сенсорных технологий, сочетая более высокую чувствительность и удобство в использовании таких систем. Это позволит совершить переход к формированию совершенно новых подходов к созданию сверхкомпактных и энергоэффективных наносенсоров как для создания систем экспресс диагностики, так и систем вида “лаборатория на чипе”, а также повсеместному их внедрению во все сферы общественной жизни – от простейших систем мониторинга экологического состояния в жилых помещениях и общественных местах до сложных биоинтегрируемых высокоинтеллектуальных медицинских систем, позволяющих проводить мониторинг с учетом индивидуальных особенностей пациента. Реализация проекта будет выгодна для трех сторон-участников проекта и будет стимулировать разработку инновационных технологий и высокотехнологичных продуктов, а также появление новых научных направлений, основанных на общем научном опыте.

Опубликованы статьи

  • I. S. Sinev, F. E. Komissarenko, I. S. Mukhin, M. I. Petrov, I.V. Iorsh, P. A. Belov, A. K. Samusev "Nearfield optical microscopy of surface plasmon polaritons excited by silicon nanoantenna"
  • F. Walla, F. Bürkle, I. Sinev, A. Bogdanov, F. Komissarenko, A. Soltani, R. Malureanu, A.V. Lavrinenko, H. G. Roskos "Direct near-field mapping of nano-sphere-excited leaky surface modes atanisotropic metasurface".

На основе полученных в ходе реализации проекта результатов защищена кандидатская диссертация Ф.Э. Комиссаренко "Манипулирование нанообъектами и модификация материалов с помощью сфокусированного электронного пучка для создания функциональных наноструктур".

Этап 3

Отчет о выполненом исследовании

Измерен собственный сигнал и оптимизирована интенсивность комбинационного рассеяния (КР) от резонансных диэлектрических и гибридных наночастиц(РДиГН), наноструктур и метаповерхностей.

Оптимизирована интенсивность сигнала КР от резонансных свойств структур.

Экспериментально исследованы зависимости сигнала КР от свойств окружающей резонансную структуру среды.

Определена температурная зависимость для собственного сигнала КР от РДиГН, наноструктур и метаповерхностей.

Измерен сигнал КР от осажденных органических веществ на РДиГН, наноструктуры и метаповерхности/

Проведены дополнительные патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.

Проведено обобщение результатов полученных по итогам трех этапов проекта, разработаны рекомендации по коммерческой реализации результатов исследования.

Измерен собственный сигнал КР от РДиГ, осажденных на заостренный конец диэлектрического
волновода (ЗКДВ).

Измерен собственный сигнал отражения ЗКДВ заполненных PDMS поддерживавших резонансные состояния.

Измерен сигнал КР от осажденных органических веществ на РДиГН, находящихся на ЗКДВ.

Измерен сигнал отражения от осажденных органических веществ в полости ЗКДВ заполненной PDMS.

Построена теоретическая модель для расчета усиления сигнала собственного КР с учетом зависимости сигнала КР от модового состава РДиГ, а также от ее окружения и температуры.

Построена теоретическая модель для расчета усиления сигнала КР от органических веществ осажденных на РДиГН на ЗКДВ с учетом зависимости сигнала КР от модового состава РДиГ.

Разработана концепция переключаемых сенсоров на основе материалов с переменной фазой (Ge2Sb2Te5, GST), функциональных в видимом и инфракрасном спектральном диапазонах.

Проведены эллипсометрические измерения оптических постоянных пленок Ge2Sb2Te5, нанесенных на стеклянную подложку.

Проведена оптимизация геометрических параметров метаповерхностей из дисков GST, методами численного моделирования, поддерживающих высокодобротные темные моды

Область исследований (нанофотоника и сенсорика), проводимых в проекте, является актуальной и быстроразвивающейся в России и мире. Разрабатываемая концепция создания устройств нанофотоники на базе диэлектрических и гибридных наноструктур и метаповерхностей позволит существенно расширить функциональность существующих устройств сенсорики и оптоэлектроники и создать новый класс принципиально новых сверхбыстрых многофункциональных сенсоров, устройств нанофотоники, управляемых оптическими сигналами. Поставленные задачи и программа их решения, а также достигнутые результаты не имеют прямых аналогов.

Область диэлектрической и гибридной нанофотоники и наноантенн является областью высокого научного интереса и интенсивно развивающейся. За последние несколько лет были достигнуты значительные успехи в этой области в группах Юрия Кавшаря (Австралия), Арсения Кузнецова (Сингапур), Romain Quidant (Испания), Stefan Maier (Великобритания), Naomi Halas (США) и др. При этом данный проект направлен на создание биосенсоров нового поколения, способных обеспечить высокую чувствительность и стабильность работы в реальных условиях их использования. К основным предназначениям таких биосенсоров можно отнести детектирование сверхмалых концентраций опасных веществ, микроорганизмов и химических соединений в воде, воздухе и твердых субстратах. Среди существующих успешных научных направлений, ставящих перед собой задачу решить данную проблему, можно выделить следующие: развитие плазмоники и создание плазмонных наноструктур для детектирования единичных молекул в режиме реального времени за счет высокой чувствительности частоты плазмонного резонанса к химическому и физическому окружению [Kuznetsov, Arseniy I. , et al. , Science 354.6314 (2016): aag2472]; развитие волоконно-оптических методов детектирования молекул в растворах и воздухе [Petryayeva, Eleonora, and Ulrich J. Krull, Analytica chimica acta 706.1 (2011): 8-24.] за счет высокой чувствительности добротности волоконных резонаторов к химическому окружению; использование электрических схем [Baffou, Guillaume, and Romain Quidant, Laser & Photonics Reviews 7.2 (2013): 171-187], работающих по принципу изменения вольт-амперных характеристик устройства при контакте активного элемента с молекулами окружающей среды; и, наконец, возникшее первым, направление – детектирование молекул за счет химической реакции с реагентом [Maier, Stefan Alexander. Plasmonics: fundamentals and applications. Springer Science & Business Media, 2007], позволяющей проводить селективное детектирование с наименьшими затратами. Все вышеперечисленные научные направления сталкиваются с рядом принципиальных недостатков, связанных со сложностью контроля температуры в часто применяемых для этих целях плазмонных наносистемах. Поиск наиболее оптимального решения проблемы создания эффективных и удобных в использовании биосенсоров привел совместный российско-индийский-китайский коллектив к развитию нового научного направления (диэлектрические и металлодиэлектрические нанофотонные сепнсоры), позволяющего избежать недостатки существующих популярных направлений и оптимизировать работу биосенсоров, заключается в использовании положительных моментов плазмоники и диэлектрической фотоники: высокая степень локализации оптических полей плазмонными элементами для увеличения взаимодействия излучения с единичными молекулами для достижения фундаментальных пределов чувствительности; возбуждение отдельно электрических и магнитных оптических резонансов в диэлектрических элементах, позволяющее увеличить взаимодействие магнитного поля оптических частот как с самими элементами, так и с молекулами, что ранее было принципиально невозможно, но существенно для большинства биологических веществ и соединений, содержащих ионы железа (этой особенностью не обладает ни один сенсор, изготовленный по существующим технологиям); кристалличность диэлектрических компонент, обеспечивающая как измерение температур окружения на наномасштабе, так и эффективный теплоотвод, снижающие эффект тепловой деградации плазмонных элементов (этой особенностью также не обладает ни один сенсор, изготовленный по существующим технологиям); высокая биосовместимость диэлектрических элементов за счет оксидного слоя. Таким образом, проводимые исследовании и получаемые результаты соответствуют мировому уровню.

Разработанные наносенсоры на основе перечисленных структур благодаря уникальным возможностям по контролю света обеспечат качественный скачок в развитии оптических сенсорных технологий, сочетая более высокую чувствительность и удобство в использовании таких систем. Это позволит совершить переход к формированию совершенно новых подходов к созданию сверхкомпактных и энергоэффективных наносенсоров как для создания систем экспресс диагностики, так и систем вида “лаборатория на чипе”, а также повсеместному их внедрению во все сферы общественной жизни – от простейших систем мониторинга экологического состояния в жилых помещениях и общественных местах до сложных биоинтегрируемых высокоинтеллектуальных медицинских систем, позволяющих проводить мониторинг с учетом индивидуальных особенностей пациента. Реализация проекта будет выгодна для трех сторон-участников проекта и будет стимулировать разработку инновационных технологий и высокотехнологичных продуктов, а также появление новых научных направлений, основанных на общем научном опыте.

Разрабатываемые в проекте результаты проекта обладают высоким потенциалом к коммерциализации. Поэтому потенциальными потребителями результатов проекта являются производители систем оптоэлектроники и микроэлектроники, сенсорики, разработчики киберфизических и биосовместимых систем. Возможна разработка как собственной продукции (например, оптические сенсорные платформы для экспресс диагностики белковых соединений) на базе мелкосерийного производства, так и передача технологий крупным производителям биофизического оборудования по лицензионным договорам

Опубликованы статьи:

  • G P Zograf, M I Petrova, M I Petrov, P A Belov, F E Komissarenko, E K Makarova, A P Pushkarev, Y Sun, P Ghosh, Q Li, M Qiu, S V Makarov, M V Zyuzin "Semiconductor resonant all-optical temperature sensor and thermal release trigger of encapsulated anti-cancer drugs for in vitro studies"
  • A Y Shiker, I V Melchakova, M I Petrova, E K Makarova, M V Zyuzin, V A Milichko "Light induced heating of silicon nanoparticles inside cervical carcinoma cells (HeLa)"