Участие в Конференции MNE 2018

Доклад инженеров НОЦ ФМН на тему «Высококачественные плазмонные сенсоры, основанные на тонких структурированных металлических пленках»

В последние десять лет проведено очень много исследований в области плазмонной сенсорики. Различные типы плазмонных устройств могут быть использованы в широком спектре применений: наноразмерные когерентные источники света [1], различные газовые, биологические, жидкостные, магнитные сенсоры, линии передач света и т.д. Это благодаря исключительной поверхностной чувствительности, которая основана на заметном изменении в интенсивности при взаимодействии аналита с поверхностной химией. Основные правила создания высококачественных плазмонных устройств это металлическая пленка с заданными параметрами и прецизионное структурирование. Мы показываем исследования и разработки обеих сторон процесса создания плазмонных устройств.

Безусловно, изготовление — это проблема для плазмонных устройств, но потери в металлических пленках – одна из основных проблем. Для их решения необходимо уделять особое внимание выбору материла плазмонного элемента: метода осаждения и его режимов для достижения оптимальных свойств. Для плазмонных устройств мы используем серебро и золото. Теоретически серебро имеет наибольшую длину пробега плазмона, но золотые слои более стабильны процессах производства и совместимы с биологическими применениями. И конечно пробег сильно зависит от кристаллической структуры пленки. Идеально использовать монокристаллические пленки серебра, т.к. это дает наилучшие свойства плазмонного устройства. Мы получили такой тип пленок на кремниевых подложках с супернизким значением шероховатости поверхности. Но на прозрачных подложках сформировать такой тип пленок невозможно. В нашей работе мы демонстрируем различные типы пленок с различными применениями в различных устройствах.

Обычно для производства плазмонных устройств используют структурирование фокусированными ионным пучком. Но как хорошо известно основная проблема этой технологии — это очень большие процессные времена. По этой причине в нашей работе мы используем электронно-лучевую литографию и плазменное травление через сформированные маски.

Так же структуры из неорганического резиста HSQ могут быть использованы как оптические элементы в плазмонных сенсорах. Это позволяет нам изготавливать структуры 500х500мкм каждая в приемлемое время.  В случае, когда плазмонное устройство изготавливается на кварцевой подложке до осаждения металлических слоев, сказываются проблемы зарядки подложки при электронной литографии. Накопленный заряд значительно может изменять форму изготавливаемых топологий. Что бы избежать использования дополнительных металлических слоев мы используем полимерные слои, наносящиеся центрифугированием для стекания поверхностного заряда и экранирования скрытого заряда в подложке. Скрытый заряд в подложке вызывает значительное уменьшение контраста литографируемого изображения за счет возрастающего обратного рассеяния.  Для решения этой проблемы мы используем более агрессивный проявитель что бы вновь увеличить контраст. При изготовлении мы уделяем особое внимание увеличения качества структур: изучаем шереховатость края, воспроизводимость, разрос периода внутри периодических структур, увеличению процессного окна, увеличение контраста резиста.

Таким образом мы имеем возможность изготавливать высококачественные плазмонные сенсоры с высокой воспроизводимостью для широкого спектра применений. Все наши разработки в основном направлены на достижения высокой чувствительности.

Орликовский Н., Пищимова А., Бабурин А., Доброносова А., Родионов И., Барышев А., Шайманов А.

High quality plasmonic sensors based on thin structured metal films

Orlikovskiy N., Pishchimova A., Baburin A., Dobronosova A.,  Rodionov I., Baryshev A., Shaimanov A.

METANANO Conference 2018