pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2017-8-3-79-81pimi-326Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsЗАВИСИМОСТЬ СИГНАЛА ГИГАНТСКОГО КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА ОТ ФОРМЫ СЕРЕБРЯНЫХ НАНОСТРУКТУР, ВЫРАЩЕННЫХ В ПОРАХ SiO2 /n-Si-ШАБЛОНАDEPENDENCE OF THE SURFACE-ENHANCED RAMAN SCATTERING SIGNAL ON THE SHAPE OF SILVER NANOSTRUCTURES GROWN IN THE SiO2 /n-Si POROUS TEMPLATEЯкимчукД. В.YakimchukD. V.

Адрес для переписки: Якимчук Д.В. – НПЦ НАН Беларуси по материаловедению, ул. П. Бровки, 19, г. Минск 220072,   e-mail: dim2yakim@gmail.com

Address for correspondence: Yakimchuk D.V. – Scientific and Practical Materials Research Center of NAS of Belarus, P. Brovka str., 19, Minsk 220072, Belarus   e-mail: dim2yakim@gmail.com

dim2yakim@gmail.comКанюковЕ. Ю.KaniukovE. Yu.ДемьяновС. Е.DemyanovS. E.БундюковаВ. Д.BundyukovaV. D.ДейнакА. В.DzeinakA. V.МакоедИ. И.MakoedI. I.АрзуманянГ. М.ArzumanyanG. M.ДорошкевичН. В.DoroshkevichN. V.МаматкуловК. З.MamatkulovK. Z.СиваковВ.SivakovV.Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедениюБеларусьScientific and Practical Materials Research Center of NAS of BelarusBelarusБрестский государственный университет имени А.С. ПушкинаБеларусьBrest State University named after A.S. PushkinBelarusОбъединенный институт ядерных исследований, ул. Жолио-Кюри; Государственный университет «Дубна»РоссияJoint Institute for Nuclear Research; State University «Dubna»Russian FederationОбъединенный институт ядерных исследований, ул. Жолио-КюриРоссияJoint Institute for Nuclear ResearchRussian FederationИнститут фотонных технологий имени Лейбница, ул. А. ЭйнштейнаГерманияLeibniz-Institute of Photonic TechnologyGermany20172709201783228235Copyright © Якимчук Д.В., Канюков Е.Ю., Демьянов С.Е., Бундюкова В.Д., Дейнак А.В., Макоед И.И., Арзуманян Г.М., Дорошкевич Н.В., Маматкулов К.З., Сиваков В., 20172017Якимчук Д.В., Канюков Е.Ю., Демьянов С.Е., Бундюкова В.Д., Дейнак А.В., Макоед И.И., Арзуманян Г.М., Дорошкевич Н.В., Маматкулов К.З., Сиваков В.Yakimchuk D.V., Kaniukov E.Y., Demyanov S.E., Bundyukova V.D., Dzeinak A.V., Makoed I.I., Arzumanyan G.M., Doroshkevich N.V., Mamatkulov K.Z., Sivakov V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/326

Гигантское комбинационное рассеяние, усиленное поверхностью, является мощным методом, применяемым в хемо- и биосенсорике. Целью данной работы являлось определение взаимосвязи сигнала гигантского комбинационного рассеяния света с формой серебряных наноструктур при воздействии лазерного излучения с различной мощностью.

Плазмонные наноструктуры синтезировались в порах диоксида кремния на подложке монокристаллического кремния n-типа, в котором поры формировались с использованием ионно-трековой технологии и селективного химического травления. Синтез серебра проводился методом безэлектродного осаждения. В качестве параметра, позволяющего управлять формой серебряного осадка в порах диоксида кремния на поверхности монокристаллического n-кремния при безэлектродном осаждении, выбрано время синтеза, которое непосредственно влияет на степень разрастания металлических наноструктур.

 Анализ динамики изменения морфологии металлического осадка показал, что при увеличении времени осаждения металл эволюционирует от отдельных металлических кристаллитов внутри пор при малых временах осаждения до дендритоподобных наноструктур при больших временах. Изучена зависимость интенсивности спектров гигантского комбинационного рассеяния света от формы серебряного осадка при мощностях зеленого лазера (λ = 532 нм) от 2,5 до 150 мкВт на модельном аналите Родамин 6Ж. Проведен анализ оптимальной формы серебряного осадка и мощности лазера с точки зрения последующего конструирования активных поверхностей для гигантского комбинационного рассеяния света при неразрушающем контроле малых концентраций веществ.

Полученные серебряные наноструктуры в порах шаблона SiO2 на кремниевой подложке n-типа могут использоваться в качестве плазмонно-активных поверхностей при неразрушающем исследовании низких концентраций веществ на малых мощностях лазера. 

Surface-enhanced Raman scattering is a powerful method used in chemoand biosensorics. The aim of this work was to determine the relationship between the signal of Surface-enhanced Raman scattering and the shape of silver nanostructures under the influence of laser radiation with different power.

Plasmonic nanostructures were synthesized in silicon dioxide pores on monocrystalline silicon n-type substrate. The pores were formed using ion-track technology and selective chemical etching. Silver deposition was carried out by galvanic displacement method. Synthesis time was chosen as a parameter that allows controlling the shape of a silver deposit in the pores of silicon dioxide on the surface of single-crystal n-silicon during electrodeless deposition. Deposition time directly effects on the shape of metal nanostructures.

Analysis of the dynamics of changing the morphology of the metal deposit showed that as the deposition time increases, the metal evolves from individual metallic crystallites within the pores at a short deposition time to dendritic-like nanostructures at a long time. The dependence of the intensity of Surface-enhanced Raman scattering spectra on the shape of the silver deposit is studied at the powers of a green laser (λ = 532 nm) from 2.5 μW to 150 μW on the model dye analyte Rodamin 6G. The optimum shape of the silver deposit and laser power is analyzed from this point of view design of active surfaces for Surface-enhanced Raman scattering with nondestructive control of small concentrations of substances.

The silver nanostructures obtained in porous template SiO2 on n-type silicon substrate could be used as plasmon-active surfaces for nondestructive investigations of substances with low concentrations at low laser powers. 

шаблонный синтезсеребряные наноструктурыдендриты«горячие точки»гигантское комбинационное рассеяние (ГКР)template synthesissilver nanostructuresdendrites«hot spots»SERSБелорусского фонда фундаментальных исследований (договор № Ф17М-005), гранта Национальной академии наук Беларуси (договор № 2017-26-010), Нетворка Балтийского моря «НаноФото» и Научно-технической программы «Технология СГ» (проект № 3.1.5.1)Belarusian Foundation for Basic Research (project number Ф17M-005), a grant of the National Academy of Sciences of Belarus (grant number 2017-26-010), Frame of Baltic Sea Network «NanoPhoto» and the Scientific-technical program «Technology-SG» (project number 3.1.5.1)ReferencesWei, H. Hot spots in different metal nanostructures for plasmon-enhanced Raman spectroscopy / H. Wei, H. Xu // Nanoscale. – 2013. – Vol. 5, no. 207890. – Р. 10794–805.Wei H. and Xu H. Hot spots in different metal nanostructures for plasmon-enhanced Raman spectroscopy. Nanoscale, 2013, vol. 5, no. 207890, pp. 10794–805. doi: 10.1039/c3nr02924gSu, K.H. Interparticle coupling effects on plasmon resonances of nanogold particles / Su K.H. [et al.] // Nano Lett. – 2003. – Vol. 3, no. 8. – Р. 1087–1090.Su K.H., ei Q.-H., Zhang X., Mock J.J., Smith D.R., Schultz S. Interparticle coupling effects on plasmon resonances of nanogold particles. Nano Lett., 2003, vol. 3, no. 8, pp. 1087–1090. doi: 10.1021/nl034197fKim, K. Surface-Enhanced Raman Scattering: A Powerful Tool for Chemical Identification / K. Kim, K.S. Shin // Anal. Sci. – 2011. – Vol. 27, no. 8. – P. 775.Kim K. and Shin K.S. Surface-Enhanced Raman Scattering: A Powerful Tool for Chemical Identification. Anal. Sci., 2011, vol. 27, no. 8, p. 775.Kneipp, K. Surface-enhanced raman scattering / K. Kneipp // Phys. Today. – 2007. – Vol. 60, no. 11. – P. 40–46.Kneipp K. Surface-enhanced raman scattering. Phys. Today, 2007, vol. 60, no. 11, pp. 40–46. doi: 10.1063/1.2812122Santoro, G. Silver substrates for surface enhanced Raman scattering: Correlation between nanostructure and Raman scattering enhancement / G. Santoro [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2014. – Vol. 104, no. 24. – P. 243107.Santoro G., Yu. S., Shchwartzkopf M., Zhang P., Vayalil S.K., Risch J.F.H., Rubhausen M.A., Hernandez M., Domingo C., Roth S.V. Silver substrates for surface enhanced Raman scattering: Correlation between nanostructure and Raman scattering enhancement. Appl. Phys. Lett., 2014, vol. 104, no. 24, p. 243107. doi: 10.1063/1.4884423Wang, A. Review of Recent Progress of Plasmonic Materials and Nano-Structures for SurfaceEnhanced Raman Scattering / A. Wang, X. Kong // Materials (Basel). – 2015. – Vol. 8, no. 6. – P. 3024– 3052.Wang A. and Kong X. Review of Recent Progress of Plasmonic Materials and Nano-Structures for SurfaceEnhanced Raman Scattering. Materials (Basel), 2015, vol. 8, no. 6, pp. 3024–3052. doi: 10.3390/ma8063024Xia, Y. Plasmons: Why Should We Care? / Y. Xia, D.J. Campbell // J. Chem. Educ. – 2007. – Vol. 84, no. 1. – P. 91.Xia Y. and Campbell D.J. Plasmons: Why Should We Care? J. Chem. Educ., 2007, vol. 84, no. 1, p. 91. doi: 10.1155/2012/457968Sharma, B. SERS: Materials, applications, and the future / B. Sharma [et al.] // Mater. Today. – 2012. – Vol. 15, no. 1–2. – P. 16–25.Sharma B., Frontiera R.R., Henry A.-I., Ringe E., Van Duyne R.P. SERS: Materials, applications, and the future. Mater. Today, 2012, vol. 15, no. 1–2, pp. 16–25. doi: 10.1016/S1369-7021(12)70017-2Хлебцов, Н.Г. Оптика и биофотоника наночастиц с плазмонным резонансом / Н.Г. Хлебцов // Квантовая электроника. – 2008. – Вып. 38, № 6. – С. 504–529.Khlebtsov N. G. [Optics and biophotonics of nanoparticles with plasmon resonance]. Quantum Electronics, 2008, vol. 38, no. 6, pp. 504–529 (in Russian).Kumari, G. How Far Can We Probe by SERS? / G. Kumari [et al.] // J. Phys. Chem. C. – 2015. – Vol. 119, no. 34. – P. 20057–20064.Kumari G., Kandula J., Narayana C. How Far Can We Probe by SERS? J. Phys. Chem. C, 2015, vol. 119, no. 34, pp. 20057–20064. doi: 10.1021/acs.jpcc.5b07556Kaniukov, E. Growth mechanisms of spatially separated copper dendrites in pores of a SiO2 template / E. Kaniukov [et al.] // Philos. Mag. – 2017. – Vol. 6435. – P. 1–16.Kaniukov E., Yakimchuk D., Arzumanyan G., Terryn H., Baert K., Kozlovskiy A., Zdorovets M., Belonogov E., Demyanov S. Growth mechanisms of spatially separated copper dendrites in pores of a SiO2 template. Philos. Mag., 2017, vol. 6435, pp. 1–16. doi: 10.1080/14786435.2017.1330562Kaniukov, E.Y. Electrochemically deposited copper nanotubes / E.Y. Kaniukov [et al.] // J. Surf. Investig. X-ray, Synchrotron Neutron Tech. – 2017. – Vol. 11, no. 1. – P. 270–275.Kaniukov E.Y., Kozlovsky A.L., Shlimas D.I., Zdorovets M.V., Yakimchuk D.V., Shumskaya E.E., Kadyrzhanov K.K. Electrochemically deposited copper nanotubes. J. Surf. Investig. X-ray, Synchrotron Neutron Tech., 2017, vol. 11, no. 1, pp. 270–275. doi: 10.1134/S1027451017010281Demyanov, S.E. On the morphology of Si/SiO2 / Ni nanostructures with swift heavy ion tracks in silicon oxide / S.E. Demyanov [et al.] // J. Surf. Investig. X-ray, Synchrotron Neutron Tech. – 2014. – Vol. 8, no. 4. – P. 805–813.Demyanov S.E., Kaniukov E.Yu., Petrov A.V., Belonogov E.K., Streltsov E.A., Ivanov D.K., Ivanova Yu.A., Trautmann C., Terryn H., Petrova M., Utsarros J., Sivakov V. On the morphology of Si/SiO2 /Ni nanostructures with swift heavy ion tracks in silicon oxide. J. Surf. Investig. X-ray, Synchrotron Neutron Tech., 2014, vol. 8, no. 4, pp. 805–813. doi: 10.1134/S1027451014040326Fei Chan, Y. Ag dendritic nanostructures as ultrastable substrates for surface-enhanced Raman scattering / Y. Fei Chan [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2013. – Vol. 102, no. 18. –P. 183118.Chan Y.F., Zhang C.X, Wu Z.L., Zhao D.M., Wang W., Xu H.J., Sun X.M. Ag dendritic nanostructures as ultrastable substrates for surface-enhanced Raman scattering. Appl. Phys. Lett., 2013, vol. 102, no. 18, p. 183118. doi: 10.1016/j.solidstatesciences.2009.03.001Ye, W. Controllable growth of silver nanostructures by a simple replacement reaction and their SERS studies / W. Ye [et al.] // Solid State Sci. – 2009. – Vol. 11, no. 6. – P. 1088–1093.Ye W., Shen C., Tian J., Wang C., Hui C., Gao H. Controllable growth of silver nanostructures by a simple replacement reaction and their SERS studies. Solid State Sci., 2009, vol. 11, no. 6, pp. 1088–1093. doi: 10.1016/j.apsusc.2008.02.060Qiu, T. Silver fractal networks for surface-enhanced Raman scattering substrates / T. Qiu [et al.] // Appl. Surf. Sci. – 2008. – Vol. 254, no. 17. – P. 5399–5402.Qiu T., Wu X.L., Shen J.C., Xia Y., Shen P.N., Chu P.K. Silver fractal networks for surface-enhanced Raman scattering substrates. Appl. Surf. Sci., 2008, vol. 254, no. 17, pp. 5399–5402. doi: 10.1063/1.4803937Kaniukov, E.Y. Tunable nanoporous silicon oxide templates by swift heavy ion tracks technology / E.Y. Kaniukov [et al.] // Nanotechnology. – 2016. – Vol. 27, no. 11. – P. 115305.Kaniukov E.Y., Utsarroz J., Yakimchuk D.V., Petrova M., Terryn H., Sivakov V., Petrov A.V. Tunable nanoporous silicon oxide templates by swift heavy ion tracks technology. Nanotechnology, 2016, vol. 27, no. 11, p. 115305. doi: 10.1088/0957-4484/27/11/115305Kho, K.W. Clinical SERS: are we there yet? / K.W. Kho [et al.] // J. Biophotonics. – 2011. – Vol. 4, no. 10. – P. 667–684.Kho K.W., Fu C.Y., Dinish U.S., Olivo M. Clinical SERS: are we there yet? J. Biophotonics, 2011, vol.  4, no. 10, pp. 667–684. doi: 10.1002/jbio.201100047

The authors declare that there are no conflicts of interest present.