Антенны давно применяют для того, чтобы улавливать волны большой длины — например, в радиодиапазоне. Однако их оптический аналог пока еще не использут на практике, то есть заметно усиливать оптические сигналы малыми антеннами в широких масштаба не удавалось. Причина в том, что, например, дипольная антенна для наиболее эффективной работы должна быть близка к половине длины электромагнитной волны. То есть нужные антенны должны быть порядка 350 нанометров (миллиардных долей метра) в длину, а то и меньше.
До сих пор производство наноантенн остается делом крайне непростым. При помощи современных методов фотолитографии их сделать очень сложно: волновая природа света означает, что излучение при такой обработке просто не даст нужного разрешения «печати» по полупроводниковому материалу антенны. Лучше справляется литография с использованием электронного пучка — ей доступно более высокое разрешение. Но этот метод довольно дорог и обычно не применяется в массовом производстве.
Авторы новой работы, опубликованной в журнале Nanoscale, использовали наноантенны оптического диапазона, сделанные по другой технологии. В ее рамках особо чистый кремний наносят на подложку из изолятора, а потом нагревают в вакуумной камере до 800 °C. При этом тонкая и гидродинамически неустойчивая пленка кремния распадается на «островки»: на подложке остаются нанокапли кремния, причем их размеры оказываются устойчиво повторяющимися, и, варьируя условия, можно добиться именно тех размеров наноантенн, что нужны для той или иной прикладной цели.
Чтобы опробовать возможности новых наноантенн, авторы работы решили усилить оптические сигналы от адсорбированных на наноантенну молекул различных веществ. Среди них был и 4-аминотиофен. Ученые показали, что напыление германия в процессе распада пленок кремния позволяет получить наночастицы с необычными параметрами — в частности, с их помощью можно не только идентифицировать исследуемые молекулы, но и с высокой точностью определять температуру в точке измерения.
В комментарии для «Чердака» один из авторов работы Александр Кучмижак, научный сотрудник Дальневосточного федерального университета, отметил, что это позволяет серьезно расширить функционал оптических наноантенн. Дело в том, что при проведении замеров на присутствие органических молекул приходится облучать лазером как наноантенны, так и нанесенные на них молекулы органических соединений. Естественно, что от лазерного луча последние нагреваются, и большинство из них распадается уже при 130—170 °C. В итоге весь процесс измерения их концентрации может привести к распаду этих молекул, что сорвет само измерение.
Читайте также: В Университете ИТМО создали простой метод производства дешевых наноантенн
Теоретически можно было бы измерять температуру подложки под наноантеннами, но для таких целей в большинстве случаев используют благородные металлы, хорошо проводящие тепло. В подобных условиях локальное измерение температуры в нагреваемой лазером точке затруднено. А вот с полупроводниковыми наноантеннами это сделать просто: измеряемый ею спектр характеристик молекулы уже содержит информацию о локальной температуре в системе «наноантенна и изучаемая с ее помощью молекула».
Подобные способы детектирования молекул позволят эффективно использовать оптические наноантенны для обнаружения химических загрязнений, а также (потенциально) выявлять присутствие различных вирусов. Авторы статьи добавляют, что произведенные по их технологии наноантенны продемонстрировали высокую чувствительность к разным органическим молекулам. Это позволяет ожидать, что скоро на их основе создадут эффективные оптические биосенсорные платформы и химические датчики нового поколения. Такие сенсоры смогут быстро и точно находить вирусы, химические загрязнения и взрывчатку.
Среди областей их возможного применения — солнечные батареи с высоким КПД. Теоретически он может быть намного больше, чем у полупроводниковых фотоэлементов, используемых сегодня. Другое преимущество наноантенн — то, что их можно довольно точно подобрать (варьируя размеры) под произвольную частоту световых волн, с которыми они будут работать лучше всего (шкала резонансной частоты почти линейно зависит от размера антенны). С обычными полупроводниковыми фотоэлементами сделать это куда сложнее: чтобы «настроить» их на нужную длину волны, нужно изменить ширину запрещенной зоны полупроводника, что уже требует легирования его другими элементами.
Иван Ортега