Оптоэлектронные сенсорные структуры на основе пленок пористого оксида алюминия, полученных импульсным лазерным осаждением
Рассмотрены пленки пористого оксида алюминия (por-Al₂O₃), сформированные на поверхности золота методом импульсного лазерного осаждения (ИЛО) из обратного потока частиц эрозионного факела в атмосфере аргона. Методом спектроскопии полного внутреннего отражения с угловым разрешением установлено изменен...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Оптоэлектроника и полупроводниковая техника |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2012
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116713 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Оптоэлектронные сенсорные структуры на основе пленок пористого оксида алюминия, полученных импульсным лазерным осаждением / Ю.В. Ушенин, Р.В. Христосенко, А.В. Самойлов, Г.В. Дорожинский, Э.Б. Каганович, Э.Г. Манойлов, Б.А. Снопок // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника: Сб. научн. тр. — 2012. — Вип. 47. — С. 40-45. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859790195703939072 |
|---|---|
| author | Ушенин, Ю.В. Христосенко, Р.В. Самойлов, А.В. Дорожинский, Г.В. Каганович, Э.Б. Манойлов, Э.Г. Снопок, Б.А. |
| author_facet | Ушенин, Ю.В. Христосенко, Р.В. Самойлов, А.В. Дорожинский, Г.В. Каганович, Э.Б. Манойлов, Э.Г. Снопок, Б.А. |
| citation_txt | Оптоэлектронные сенсорные структуры на основе пленок пористого оксида алюминия, полученных импульсным лазерным осаждением / Ю.В. Ушенин, Р.В. Христосенко, А.В. Самойлов, Г.В. Дорожинский, Э.Б. Каганович, Э.Г. Манойлов, Б.А. Снопок // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника: Сб. научн. тр. — 2012. — Вип. 47. — С. 40-45. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Оптоэлектроника и полупроводниковая техника |
| description | Рассмотрены пленки пористого оксида алюминия (por-Al₂O₃), сформированные на поверхности золота методом импульсного лазерного осаждения (ИЛО) из обратного потока частиц эрозионного факела в атмосфере аргона. Методом спектроскопии полного внутреннего отражения с угловым разрешением установлено изменение оптических параметров таких структур при их экспозиции в парах воды, ацетона, этанола и гексана. Наблюдали корреляцию между смещением угла резонанса и показателем преломления аналитов. Анализ кинетических зависимостей при смене аналитов указывает на стабильность пленок и обратимость процессов сорбции. Большие значения относительного изменения эффективного коэффициента преломления, достигающие 10⁻², обусловлены большой внутренней поверхностью пленок por-Al₂O₃.
Films of porous alumina (por-Al2O3) were formed on gold films by pulsed laser deposition (PLD) from the reverse flow of the erosion torch particles in an argon atmosphere. Measurements by method of total internal reflection spectroscopy with an angular resolution has shown changes in the optical parameters of such structures in their exposure to the vapors of water, acetone, ethanol and hexane. The correlation between the shift of the resonance angle and the refractive index of analytes were observed. Kinetic characteristics of the resonance angle position in case of analytes changing indicate the stability of the films and the reversibility of sorption processes. The large values of the relative change in the effective refractive index, reaching values to 10⁻², are caused by large internal surface of the por-Al₂O₃ film.
|
| first_indexed | 2025-12-02T11:32:36Z |
| format | Article |
| fulltext |
40 ISSN 0233-7577. Oïòîýëåêòðîíèêà è ïîëóïðîâîäíèêîâàÿ òåõíèêà, 2012, âûï. 47
ÓÄÊ 535.394
. . , . . ,
. . , . . ,
. . , . . , . .
,
Ðàññìîòðåíû ïëåíêè ïîðèñòîãî îêñèäà àëþìèíèÿ (por-Al2O3), ñôîð-
ìèðîâàííûå íà ïîâåðõíîñòè çîëîòà ìåòîäîì èìïóëüñíîãî ëàçåðíîãî îñàæäåíèÿ
(ÈËÎ) èç îáðàòíîãî ïîòîêà ÷àñòèö ýðîçèîííîãî ôàêåëà â àòìîñôåðå àðãîíà. Ìåòî-
äîì ñïåêòðîñêîïèè ïîëíîãî âíóòðåííåãî îòðàæåíèÿ ñ óãëîâûì ðàçðåøåíèåì óñòà-
íîâëåíî èçìåíåíèå îïòè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ òàêèõ ñòðóêòóð ïðè èõ ýêñïîçèöèè â ïà-
ðàõ âîäû, àöåòîíà, ýòàíîëà è ãåêñàíà. Íàáëþäàëè êîððåëÿöèþ ìåæäó ñìåùåíèåì
óãëà ðåçîíàíñà è ïîêàçàòåëåì ïðåëîìëåíèÿ àíàëèòîâ. Àíàëèç êèíåòè÷åñêèõ çàâèñè-
ìîñòåé ïðè ñìåíå àíàëèòîâ óêàçûâàåò íà ñòàáèëüíîñòü ïëåíîê è îáðàòèìîñòü ïðî-
öåññîâ ñîðáöèè. Áîëüøèå çíà÷åíèÿ îòíîñèòåëüíîãî èçìåíåíèÿ ýôôåêòèâíîãî êîýô-
ôèöèåíòà ïðåëîìëåíèÿ, äîñòèãàþùèå 10�2, îáóñëîâëåíû áîëüøîé âíóòðåííåé ïî-
âåðõíîñòüþ ïëåíîê por-Al2O3.
Êëþ÷åâûå ñëîâà: ñåíñîð, ïîâåðõíîñòíûé ïëàçìîí-ïîëÿðèòîííûé ðåçîíàíñ (ÏÏÐ),
íàíîêîìïîçèòíàÿ ïëåíêà, èìïóëüñíîå ëàçåðíîå îñàæäåíèå â âàêóóìå, ïîðèñòûé îêñèä
àëþìèíèÿ.
 ïîñëåäíåå âðåìÿ äîñòèãíóòû çíà÷èòåëüíûå óñïåõè â ðàç-
âèòèè îïòè÷åñêèõ ñåíñîðîâ íà îñíîâå íàíîñòðóêòóð ñ âîçáóæäåíèåì ïî-
âåðõíîñòíûõ ïëàçìîí-ïîëÿðèòîííûõ ñîñòîÿíèé íà ãðàíèöå ìåòàëë�äè-
ýëåêòðèê è ñ âîçáóæäåíèåì ïîëåì íåîäíîðîäíîé âîëíû âîëíîâîäíûõ
ìîä â òðåõñëîéíîé ñèñòåìå. Îïòè÷åñêèå ïðåîáðàçîâàòåëè ýòèõ ñåíñîðîâ
ðåàëèçóþò óñëîâèÿ ïîëíîãî âíóòðåííåãî îòðàæåíèÿ ñ ââåäåíèåì èçëó÷å-
íèÿ ïîñðåäñòâîì ïðèçìåííîé ñâÿçè â ãåîìåòðèè Êðå÷ìàíà. Ïðèñóòñòâèå
àíàëèòà â îáëàñòè ðàñïðîñòðàíåíèÿ íåîäíîðîäíîé (ýâàíåñöåíòíîé) âîë-
íû èëè âîëíîâîäíîé ìîäû èçìåíÿåò ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ ñðåäû, ÷òî
ïðîÿâëÿåòñÿ â èçìåíåíèè óñëîâèé âîçáóæäåíèÿ è ðàñïðîñòðàíåíèÿ âîëí.
Îïòè÷åñêèå ìîäû ïðîÿâëÿþòñÿ â âèäå ðåçêèõ ìèíèìóìîâ óãëîâîé çàâè-
ñèìîñòè ïîëíîãî âíóòðåííåãî îòðàæåíèÿ R( ). ×åì áîëüøå ïîâåðõíîñòü
ñîïðèêîñíîâåíèÿ ñ àíàëèòîì, òåì âûøå ÷óâñòâèòåëüíîñòü ñåíñîðà è
ìåíüøå íàèìåíüøåå äåòåêòèðóåìîå çíà÷åíèå åãî êîíöåíòðàöèè. Ýòî è
îáóñëîâëèâàåò âîçðàñòàþùèé èíòåðåñ ê ïðèìåíåíèþ ïîðèñòûõ äèýëåê-
òðèêîâ â îïòîýëåêòðîííûõ ñåíñîðàõ [1�5].
Âûñîêàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü îïòè÷åñêèõ ñåíñîðîâ íà îñíîâå ïîðèñòîãî
îêñèäà àëþìèíèÿ (por-Al2O3) îáóñëîâëåíà èõ áîëüøîé âíóòðåííåé ïî-
âåðõíîñòüþ è âîçìîæíîñòÿìè ñîçäàíèÿ ñ èõ ó÷àñòèåì ïëàíàðíûõ íàíî-
ñòðóêòóð, â êîòîðûõ âûïîëíÿþòñÿ óñëîâèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ îïòè÷åñêèõ
ìîä [3, 4]. Â [3] ìåòîäîì âîëíîâîäíîé ñïåêòðîñêîïèè ïðîàíàëèçèðîâà-
íû ïðîöåññû âíóòðè ñëîÿ íàíîïîðèñòîãî îêñèäà àëþìèíèÿ, ïîëó÷åí-
íîãî àíîäèçàöèåé (porous anodic alumina, PAA). Òàê, ñèñòåìà ïëåíêà çî-
ëîòà�PAA áûëà ÷óâñòâèòåëüíà ê àäñîðáöèè è äåñîðáöèè àëüáóìèíà
áû÷üåé ñûâîðîòêè ïðè ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ pH ðàñòâîðà, îáëàäàëà âûñî-
© Þ.Â. Óøåíèí, Ð.Â. Õðèñòîñåíêî, À.Â. Ñàìîéëîâ, Ã.Â. Äîðîæèíñêèé, Ý.Á. Êàãàíîâè÷,
Ý.Ã. Ìàíîéëîâ, Á.À. Ñíîïîê, 2012
41
êîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ ê àäñîðáöèè ïðîòåèíà è ê ðàñøèðåíèþ ïîð
PAA. Ïðåäëîæåííûé âîëíîâîäíûé ñåíñîð ñïîñîáåí äåòåêòèðîâàòü íå
òîëüêî èçìåíåíèÿ êîýôôèöèåíòà ïðåëîìëåíèÿ âíåøíåé ñðåäû, íî è
ñïåöèôè÷åñêèå áèîìîëåêóëû ïðè ñîîòâåòñòâóþùåé ôóíêöèàíàëèçàöèè
ïîâåðõíîñòè ïîð. Â ñåíñîðå âîíîâîäíîãî òèïà íà îñíîâå ñèñòåìû ïðèç-
ìà�Au�PAA òîëùèíîé 1 ìêì è ðàçìåðàìè ïîð 10�100 íì íàáëþäàëè
èçìåíåíèå çíà÷åíèÿ ýôôåêòèâíîé äèýëåêòðè÷åñêîé ïðîíèöàåìîñòè 10�4
êàê ñëåäñòâèå ïðîöåññîâ â ïîðàõ.
 ïîñëåäóþùèõ èññëåäîâàíèÿõ èñïîëüçîâàëè íàíîïîðèñòûå ïëåíêè
TiO2, ïîëèìåðíûå ïëåíêè ñ öèëèíäðè÷åñêèìè ìàêðîäîìåíàìè è äð. Â
ðàáîòå [5] ïðåäëîæåí îïòè÷åñêèé ñåíñîð íà îñíîâå ñòðóêòóð ïîðèñòîãî
êðåìíèÿ (por-Si). Íà ïîäëîæêå ìîíîêðèñòàëëè÷åñêîãî êðåìíèÿ áûë
ñôîðìèðîâàí íèçêîîìíûé ñëîé por-Si âûñîêîé ïîðèñòîñòè ñ íèçêèì
çíà÷åíèåì ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ n, ÷òî îáåñïå÷èâàëî ââåäåíèå ïîëÿ
ýâàíåñöåíòíîé âîëíû. Ñëåäóþùèé ñëîé por-Si íèçêîé ïîðèñòîñòè ñ âû-
ñîêèì çíà÷åíèåì n áûë âîëíîâîäíûì ñëîåì. Ðåçóëüòàòû àíàëèçà íà îñ-
íîâå äèïîëüíîãî ïðèáëèæåíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî ÷óâñòâèòåëüíîñòü ïðåäëî-
æåííîãî por-Si-ñåíñîðà áîëüøå, ÷åì ó ÏÏÐ-ñåíñîðà ñ ìåòàëëè÷åñêèì
ñëîåì èç-çà òîãî, ÷òî àíàëèò ðàñïîëîæåí âíóòðè âîëíîâîäíîãî ñëîÿ, ãäå
è ïîëå ñèëüíåå, è êîíöåíòðàöèÿ àíàëèòà âûøå.
 [4] òåîðåòè÷åñêè è ýêñïåðèìåíòàëüíî èçó÷àëè ÏÏÐ-ñåíñîð ñî ñëî-
åì PAA. Ñëîé 200 íì PAA ôîðìèðîâàëè àíîäèçàöèåé íà ñëîå àëþìè-
íèÿ. Îöåíêè ïîêàçàëè, ÷òî äëÿ ñåíñîðíîé ñèñòåìû ïðèçìà�àëþìèíèé
(15 íì)�Al2O3 (3 íì)�âîçäóõ ñìåùåíèå ïîëîæåíèÿ ìèíèìóìà óãëà îò-
ðàæåíèÿ min êðèâîé ÏÏÐ ïîñëå ôîðìèðîâàíèÿ â ïîðàõ àäñîðáèðîâàí-
íîãî ñëîÿ ñ ïîêàçàòåëåì ïðåëîìëåíèÿ n = 1,5 è òîëùèíîé 2 íì ñîñòàâ-
ëÿåò min = 0,11 .  òî æå âðåìÿ äëÿ ïëàíàðíîé ÏÏÐ-ñèñòåìû ïðèçìà�
çîëîòî (50 íì)�âîçäóõ îöåíêè äàþò min = 0,21 . Ñ ïîìîùüþ ðàñ÷åòîâ
óñòàíîâëåíî, ÷òî çíà÷åíèÿ min äëÿ ðàññìàòðèâàåìîãî ñåíñîðà çàâèñÿò
îò ðàäèóñà ïîð è èõ ãëóáèíû. Äëÿ îïòèìàëüíûõ ïàðàìåòðîâ ñëîÿ PAA
áûëî ïîêàçàíî, ÷òî çíà÷åíèå min ìîæåò áûòü â 45 ðàç áîëüøå, ÷åì òà-
êîâîå äëÿ ïëàíàðíîãî ñëîÿ îêñèäà àëþìèíèÿ, è â 22 ðàçà áîëüøå, ÷åì â
ñëó÷àå àäñîðáöèè àíàëèòà íà ñëîå çîëîòà. Òàêæå îòìåòèì, ÷òî ïðè àíî-
äèçàöèè àëþìèíèÿ íàðóøàåòñÿ àäãåçèÿ òåðìè÷åñêè îñàæäåííûõ ïëåíîê
çîëîòà.
Ýêñïåðèìåíò íà ÏÏÐ-ñåíñîðàõ, âêëþ÷àþùèé ôîðìèðîâàíèå ñàìî-
ñîáèðàþùåãîñÿ ìîíîñëîÿ (self-assembled monolayer, SAM) íà PAA è äëÿ
ñðàâíåíèÿ íà ïëàíàðíûõ ïëåíêàõ çîëîòà, àëþìèíèÿ, ïîäòâåðäèë ðàñ÷å-
òû ïî óâåëè÷åíèþ íà ïîðÿäîê ÷óâñòâèòåëüíîñòè ñåíñîðà çà ñ÷åò óâåëè-
÷åíèÿ ïëîùàäè ïîâåðõíîñòè, äîñòóïíîé äëÿ àäñîðáöèè àíàëèòà â PAA.
Îöåíêè ïîêàçàëè, ÷òî àäñîðáöèÿ ìîíîñëîÿ âîäû ïðèâîäèò ê ñìåùåíèþ
êðèâîé ÏÏÐ íà 0,1�0,2 . ÏÏÐ-ñåíñîð ñ PAA ðåêîìåíäîâàëè äëÿ èñ-
ïîëüçîâàíèÿ ïðè äåòåêòèðîâàíèè ãàçîâ [4].
Íàñêîëüêî íàì èçâåñòíî, ïîìèìî àíîäíîãî îêñèäà àëþìèíèÿ òîí-
êèå ïëåíêè (ñëîè) por-Al2O3 íå áûëè ïîëó÷åíû èíûìè ìåòîäàìè è íå
èñïîëüçîâàëèñü â ÏÏÐ- è âîëíîâîäíûõ ïëàíàðíûõ ñåíñîðàõ. Ó÷èòûâàÿ
ýòî, àêòóàëüíîé ïðåäñòàâëÿåòñÿ ðàçðàáîòêà ñïîñîáîâ ôîðìèðîâàíèÿ îï-
òè÷åñêèõ ñåíñîðíûõ ñòðóêòóð ãàçîâ íà îñíîâå por-Al2O3, ñôîðìèðîâàí-
íîãî ìåòîäîì èìïóëüñíîãî ëàçåðíîãî îñàæäåíèÿ (ÈËÎ) â âàêóóìå,
èìåþùåãî ïðåèìóùåñòâà ïîëó÷åíèÿ îêñèäíûõ ïëåíîê ìåòàëëîâ [6].
Öåëü äàííîé ðàáîòû � èññëåäîâàòü ñåíñîðíûå ñâîéñòâà ïî îòíîøå-
íèþ ê ïàðàì âîäû, àöåòîíà, ýòàíîëà è ãåêñàíà íàíîñðóêòóð íà îñíîâå
ïëåíîê por-Al2O3, ïîëó÷åííûõ ìåòîäîì ÈËÎ.
42
Áûëè ïîëó÷åíû ñåíñîðíûå ñòðóêòóðû ôîðìèðîâàíèåì ïëå-
íîê por-Al2O3 ìåòîäîì ÈËÎ íà òîíêèå (50 íì) ïëåíêè çîëîòà. Ïîðè-
ñòîñòü ïëåíîê por-Al2O3 äîñòèãàëàñü îñàæäåíèåì èç îáðàòíîãî íèçêî-
ýíåðãåòè÷åñêîãî ïîòîêà íàíî÷àñòèö ýðîçèîííîãî ôàêåëà íà ïîäëîæêó,
ðàñïîëîæåííóþ â ïëîñêîñòè ìèøåíè. Ëó÷ YAG:Nd3+ ëàçåðà, ðàáîòàþ-
ùåãî â ðåæèìå ìîäóëèðîâàííîé äîáðîòíîñòè (äëèíà âîëíû 1,06 ìêì,
ýíåðãèÿ â èìïóëüñå 0,2 Äæ, äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà 8 íñ, èõ ÷àñòîòà
25 Ãö), ñêàíèðîâàë ìèøåíü â âàêóóìíîé êàìåðå â àòìîñôåðàõ àðãîíà
èëè êèñëîðîäà ñ äàâëåíèåì 6�15 Ïà. Ïëîòíîñòü ýíåðãèè îáëó÷åíèÿ
ðàâíà 5�20 Äæ/ñì2, âðåìÿ îñàæäåíèÿ � îêîëî 6 ìèí. Òîëùèíà ïëåíîê
por-Al2O3 íà äëèíå 20 ìì ñîñòàâëÿëà 30�200 íì [7, 8]. Îáúåêòàìè èñ-
ñëåäîâàíèÿ ÿâëÿëèñü äâà òèïà îáðàçöîâ ñ òîëùèíàìè ïëåíîê îêîëî 55
5 íì è 190 10 íì.
Íà ñôîðìèðîâàííûõ ñåíñîðíûõ ñòðóêòóðàõ îïðåäåëÿëè âëèÿíèå ïà-
ðîâ âîäû, ýòàíîëà, àöåòîíà è ãåêñàíà íà çàâèñèìîñòü R( ). Äëÿ ââîäà
ãàçà èñïîëüçîâàëè äâóõêàíàëüíóþ ïîëèñòèðîëîâóþ ÿ÷åéêó îáúåìîì
30 ìêë, ñíàáæåííóþ òðóáêàìè, ñîåäèíåííûìè ñ ìèêðîíàñîñîì. Î÷èñòêó
èçìåðèòåëüíîé ÿ÷åéêè îñóùåñòâëÿëè êîìíàòíûì âîçäóõîì.
Èçìåðåíèÿ óãëîâûõ çàâèñèìîñòåé îòðàæåíèÿ ñâåòà R( ) îò ñòðóêòóð
ñòåêëî�ïëåíêà çîëîòà�por-Al2O3�âîçäóõ ïðîâîäèëè â ãåîìåòðèè Êðå÷-
ìàíà íà ÏÏÐ-ñïåêòðîìåòðå ÏËÀÇÌÎÍ-6, ìîäåëü 325, ðàçðàáîòàííîì â
Èíñòèòóòå ôèçèêè ïîëóïðîâîäíèêîâ èì. Â.Å. Ëàøêàðåâà ÍÀÍ Óêðàèíû
[9]. Îí ïîçâîëÿåò èçìåðÿòü àáñîëþòíûå çíà÷åíèÿ îòðàæåíèÿ R è óãëà
â äèàïàçîíå 16 ñ âðåìåííûì ðàçðåøåíèåì. Ïðåäâàðèòåëüíàÿ îáðàáîòêà
äàííûõ îñóùåñòâëÿëàñü ñ ïîìîùüþ ïðîãðàììû Ïëàçìîí-6 (âåðñèÿ 6.7).
Ïîëíóþ êðèâóþ R( ) çàïèñûâàëè â òå÷åíèå 3 ñ â ðåæèìå «single mode».
Âîçáóæäåíèå ïîâåðõíîñòíîé èëè âîëíîâîäíîé ìîäû íàáëþäàëè êàê
ìèíèìóì íà êðèâîé R( ). ×óâñòâèòåëüíîñòü íàíîñòðóêòóð ê ãàçàì îöåíè-
âàëè ïî ñìåùåíèþ ïîëîæåíèÿ óãëà ìèíèìóìà êðèâîé R( ) � min. Ýô-
ôåêòèâíûå çíà÷åíèÿ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ òîëùèíû ïëåíîê por-Al2O3
è íàíîêîìïîçèòà, ñîäåðæàùåãî por-Al2O3 è àíàëèò � ïàðû ñîîòâåòñò-
âóþùèõ âåùåñòâ â âîçäóõå, îïðåäåëÿëè ïîñðåäñòâîì àïïðîêñèìàöèè
ýêñïåðèìåíòàëüíîé êðèâîé R( ) îïòè÷åñêîé ìîäåëüþ ñòðóêòóðû. Èñïîëü-
çîâàëè ïðîãðàììíóþ ñðåäó WinSpall 3.02 [10]. Çíà÷åíèå îïòè÷åñêèõ ïàðà-
ìåòðîâ ïëåíêè çîëîòà îïðåäåëÿëè äî íàíåñåíèÿ ïëåíêè por-Al2O3, èçìå-
ðÿÿ êðèâóþ ÏÏÐ. Ïðè ðàñ÷åòå îïòè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ è òîëùèíû ïëåíêè
por-Al2O3, â òîì ÷èñëå è ñ àíàëèòîì, èñïîëüçîâàëè òå æå ïàðàìåòðû ïëåí-
êè çîëîòà, ó÷èòûâàÿ èçìåíåíèå òîëùèíû ïëåíêè çîëîòà âñëåäñòâèå ôîð-
ìèðîâàíèÿ ïåðåõîäíîãî ñëîÿ â îáëàñòè øåðîõîâàòîñòè.
Äëÿ ïëåíîê çîëîòà íàáëþäàëè òèïè÷íûå êðèâûå ÏÏÐ.  ðå-
çóëüòàòå ÷èñëåííûõ àïïðîêñèìàöèé â ðàìêàõ îïòè÷åñêîé ìîäåëè ñ ïëîñ-
êîïàðàëëåëüíûìè ãðàíèöàìè ïîëó÷èëè òàêèå çíà÷åíèÿ: êîýôôèöèåíò
ïðåëîìëåíèÿ n = 0,335, êîýôôèöèåíò ýêñòèíêöèè k = 3,525, òîëùèíà d
50 íì. Íà ðèñ. 1 ïðåäñòàâëåíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå êðèâûå óãëîâîé çà-
âèñèìîñòè ïîëíîãî âíóòðåííåãî îòðàæåíèÿ R( ) äëÿ äâóõ ïëåíîê por-
Al2O3 ðàçíîé òîëùèíû, ñîäåðæàùèõ îñóøåííûé êîìíàòíûé âîçäóõ (êðè-
âàÿ 1), âëàæíûé âîçäóõ (êðèâàÿ 2), àöåòîí (êðèâàÿ 3), ýòàíîë (êðèâàÿ 4) è
ãåêñàí (êðèâàÿ 5). Êàê âèäíî èç ýòîãî ðèñóíêà, äèàïàçîí çíà÷åíèé óãëîâ,
ñîîòâåòñòâóþùèõ ìèíèìóìàì êðèâûõ R( ) � min, äëÿ ïëåíêè á ëüøåé
òîëùèíû èìååò á ëüøèå çíà÷åíèÿ. Åñëè äëÿ áîëåå òîíêîé ïëåíêè ( 65 íì)
43
Ðèñ. 1. Óãëîâûå çàâèñèìîñòè îòðàæåíèÿ R( ) äëÿ ïëåíîê por-Al2O3 òîëùèíîé 55 (à) è
190 íì (á) ñ àíàëèòàìè: 1 � îñóøåííûé êîìíàòíûé âîçäóõ; 2 � âëàæíûé âîçäóõ;
3 � àöåòîí; 4 � ýòàíîë; 5 � ãåêñàí
Ðèñ. 2. Êèíåòè÷åñêèå êðèâûå çàâèñèìîñòè ïîëîæåíèÿ óãëà min äëÿ ïëåíîê por-Al2O3
òîëùèíîé 55 (à) è 190 íì (á) ïðè çàìåíå âî âðåìåíè îñóøåííîãî êîìíàòíîãî âîçäóõà
íà àíàëèò: 1 � âëàæíûé âîçäóõ; 2 � ýòàíîë; 3 � àöåòîí; 4 � ãåêñàí; � ââåäåíèå
àíàëèòà, � î÷èñòêà êàìåðû
çíà÷åíèå min ñîñòàâëÿåò äî 0,6 , òî äëÿ áîëåå òîëñòîé ( 190 íì) � äî
1,7 . Äëÿ îáåèõ ïëåíîê ñ ââåäåíèåì àíàëèòîâ ïîëîæåíèå min ñìåùàåòñÿ
â ñòîðîíó áîëüøèõ óãëîâ. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî èçìåíåíèå çíà÷åíèÿ min
êîððåëèðóåò ñî çíà÷åíèåì ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ n àíàëèòà â æèäêîé
ôàçå. Òàê, âëàæíûé âîçäóõ ñ ïàðàìè âîäû (nâîä = 1,333) ñìåùàåò min íà
íàèìåíüøåå çíà÷åíèå, à ãåêñàí (nãåêñ = 1,375) è ýòàíîë (nýò = 1,361) ñ íàè-
áîëüøèìè çíà÷åíèÿìè n ñìåùàþò min íà íàèáîëüøåå çíà÷åíèå.
Íà ðèñ. 2 ïðåäñòàâëåíû êèíåòè÷åñêèå çàâèñèìîñòè ïîëîæåíèÿ óãëà min
ïðè çàìåùåíèè îñóøåííîãî êîìíàòíîãî âîçäóõà àíàëèòîì. Âî-ïåðâûõ, âîç-
âðàò ïîëîæåíèÿ ìèíèìóìà ïîñëå çàìåíû àíàëèòà íà îñóøåííûé êîìíàòíûé
âîçäóõ ñâèäåòåëüñòâóåò î ñòàáèëüíîñòè por-Al2O3 è îáðàòèìîñòè ïðîöåññîâ
ñîðáöèè. Âî-âòîðûõ, íàáëþäàåòñÿ êà÷åñòâåííàÿ êîððåëÿöèÿ ìåæäó ñìåùå-
íèÿìè ïîëîæåíèÿ óãëà min è çíà÷åíèÿìè ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ àíàëèòà â
æèäêîé ôàçå. Îòäåëüíûå êîëè÷åñòâåííûå íåñîîòâåòñòâèÿ ñâÿçàíû ñ òåì, ÷òî
çíà÷åíèÿ ñìåùåíèÿ min îïðåäåëÿþòñÿ íå òîëüêî çíà÷åíèåì ïîêàçàòåëÿ ïðå-
ëîìëåíèÿ àíàëèòà, íî è åãî ñïîñîáíîñòüþ ê àäñîðáöèè â ïîðàõ. Ó÷åò êîí-
öåíòðàöèè íàñûùåííûõ ïàðîâ äàííûõ ðàñòâîðèòåëåé, à òàêæå ïîâåðõíîñò-
íîãî íàòÿæåíèÿ (îïðåäåëÿþùåãî êàïèëÿðíîå ïðîíèêíîâåíèå â ïîðû) ïîçâî-
ëÿåò ïîëíîñòüþ èíòåðïðåòèðîâàòü íàáëþäàåìóþ êàðòèíó [13].
44
Ýôôåêòèâíûå çíà÷åíèÿ ïîêàçàòåëåé ïðåëîìëåíèÿ ïîðèñòûõ ïëåíîê por-Al2O3 ñ àíàëèòà-
ìè è îòíîñèòåëüíîå èçìåíåíèå èõ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ
nef ïëåíêè ñ àíàëèòîì
Àíàëèò n àíàëèòà
65 íì 190 íì
nef /nef air
Âîçäóõ 1 1,258 1,298 �
Âîäà 1,333 1,265 1,306 0,006
Àöåòîí 1,359 1,266 1,309 0,008
Ýòàíîë 1,361 1,273 1,315 0,013
Ãåêñàí 1,375 1,275 1,314 0,012
 ðåçóëüòàòå àïïðîêñèìàöèè ýêñïåðèìåíòàëüíûõ êðèâûõ R( ) â îá-
ëàñòè min ïîëó÷èëè ýôôåêòèâíûå çíà÷åíèÿ ïîêàçàòåëåé ïðåëîìëåíèÿ nef
por-Al2O3, à òàêæå åãî ñ àíàëèòàìè (òàáëèöà). Èç òàáëèöû âèäíî, ÷òî äëÿ
îñóøåííîãî êîìíàòíîãî âîçäóõà çíà÷åíèÿ nef íàõîäÿòñÿ ìåæäó çíà÷åíèÿ-
ìè ïîêàçàòåëåé ïðåëîìëåíèÿ ïëåíêè Al2O3 (n 1,65) è âîçäóõà (n = 1). Ñ
ââåäåíèåì àíàëèòîâ çíà÷åíèÿ nef óâåëè÷èâàþòñÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ óâåëè-
÷åíèåì çíà÷åíèÿ n àíàëèòà. Îöåíêè ïîêàçûâàþò, ÷òî ýôôåêòèâíîñòü
ñåíñîðíîãî ýëåìåíòà, îïðåäåëåííàÿ êàê îòíîøåíèå èçìåíåíèÿ çíà÷åíèÿ
nef ïî îòíîøåíèþ ê nef äëÿ êîìíàòíîãî âîçäóõà, äîñòàòî÷íî âûñîêàÿ.
Äëÿ áîëåå òîëñòîé ïëåíêè îíà íà íåñêîëüêî ïðîöåíòîâ âûøå, ÷åì äëÿ
áîëåå òîíêîé.  òàáëèöå ïðèâåäåíû çíà÷åíèÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòè äëÿ áî-
ëåå òîëñòîé ïëåíêè. Êàê âèäèì, äëÿ ýòàíîëà è ãåêñàíà îíè íàèáîëüøèå
è äîñòèãàþò 10�2.
Ñðàâíèòåëüíûå ýêñïåðèìåíòû äëÿ ñòðóêòóð, íå ñîäåðæà-
ùèõ ïëåíêè por-Al2O3 íà ïîâåðõíîñòè çîëîòà, ïîêàçàëè, ÷òî ïðè ââîäå
ãàçîâîãî àíàëèòà â ÿ÷åéêó íå íàáëþäàåòñÿ ñìåùåíèå óãëà min íè äëÿ îä-
íîãî èç èñïîëüçîâàííûõ àíàëèòîâ. Îòêëèêè íàõîäÿòñÿ íà óðîâíå øóìà è
äëÿ ñïëîøíîé (íåïîðèñòîé) ïëåíêè Al2O3. Ýòîò ôàêò ñîâïàäàåò ñ ðåçóëü-
òàòàìè îöåíêè ÷óâñòâèòåëüíîñòè ñåíñîðíîé ñòðóêòóðû ñ ïëåíêîé Al2O3 â
[4]. Òàêèì îáðàçîì, ïîêàçàíà âîçìîæíîñòü äîñòèæåíèÿ çíà÷èòåëüíîé
÷óâñòâèòåëüíîñòè ê ãàçîîáðàçíûì àíàëèòàì ïëåíîê por-Al2O3, ñôîðìè-
ðîâàííûõ ìåòîäîì èìïóëüñíîãî ëàçåðíîãî îñàæäåíèÿ â àòìîñôåðå
èíåðòíîãî ãàçà. Âûñîêàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ïëåíîê îáúÿñíÿåòñÿ èõ çíà-
÷èòåëüíîé ïîðèñòîñòüþ, ÷òî îáóñëîâëèâàåò âîçìîæíîñòü ñîçäàíèÿ íà èõ
îñíîâå ÏÏÐ ãàçîâûõ ñåíñîðîâ. Ðåçóëüòàòû ñâèäåòåëüñòâóþò î ïåðñïåê-
òèâíîñòè ïðèìåíåíèÿ ïëåíîê por-Al2O3 äëÿ èññëåäîâàíèÿ ïðîöåññîâ â
êîìïîçèòíûõ ïîðèñòûõ íàíîñòðóêòóðàõ, â òîì ÷èñëå ïðè èõ âçàèìîäåé-
ñòâèè ñ ãàçîîáðàçíûìè àíàëèòàìè ðàçëè÷íîé ïðèðîäû.
Yu.V. Ushenin, R.V. Khristosenko, A.V. Samoilov,
G.V. Dorozinsky, E.B. Kaganovich, E.G. Manoilov,
B.A. Snopok
OPTOELECTRONIC SENSOR STRUCTURE BASED ON POROUS
ALUMINA FILMS FORMED BY PULSED LASER DEPOSITION
Films of porous alumina (por-Al2O3) were formed on gold films by pulsed
laser deposition (PLD) from the reverse flow of the erosion torch particles in an argon
atmosphere. Measurements by method of total internal reflection spectroscopy with
an angular resolution has shown changes in the optical parameters of such structures in their
exposure to the vapors of water, acetone, ethanol and hexane. The correlation between
the shift of the resonance angle and the refractive index of analytes were observed. Kine-
tic characteristics of the resonance angle position in case of analytes changing indicate
45
the stability of the films and the reversibility of sorption processes. The large values of
the relative change in the effective refractive index, reaching values to 10�2, are caused by
large internal surface of the por-Al2O3 film.
Keywords: sensor, surface plasmon-polariton resonance, nanocomposite film, pulsed
laser deposition in vacuum, porous alumina.
1. Homola J. Sensor based on spectroscopy of guided waves // Optical chemical sensors /
Ed. by F. Baldini, A.N. Chesler, J. Homola, S. Martellucci. � Springer, 2005. � 535 p.
2. Homola J. Present and future of surface plasmon resonance biosensors // Anal. Bioanal.
Chem. � 2003. � 377. � P. 528�539.
3. Highly sensitive detection of processes occurring inside nanoporous anodic alumina tem-
plates: a waveguide optical study / K.-H.A. Lau, L.-S. Tan, K. Tamada et al. // J. Phys.
Chem. B. � 2004. � 108, N 30. � P. 10812�10818.
4. Nanoporous alumina enhanced surface plasmon resonance sensors / A.G. Koutsioubas,
N. Spiliopoulos, D. Anastas-Sopouloset et al. // J. Appl. Phys. � 2008. � 103, N 9. �
P. 094521 (1�6).
5. Optical sensor based on resonant porous silicon structures / J.J. Saarinen, S.M. Weiss,
P.M. Fauchet, J.E. Sipe // Optics Express. � 2005. � 13, N 10. � P. 3754�3764.
6. Kabashin A.V., Meuries M. Laser ablation-based synthesis of nanomaterials / Eds.
J. Perriere, E. Millon, E. Fogarassy // Chap. I in Recent Advances in laser processing of
materials. � 2006. � 472 p.
7. Ïëàíàðíûå âîëíîâîäíûå ñòðóêòóðû íà îñíîâå íàíîïîðèñòûõ ïëåíîê îêñèäà àëþ-
ìèíèÿ â óñëîâèÿõ ïîâåðõíîñòíîãî ïëàçìîííîãî ðåçîíàíñà / Þ.Â. Óøåíèí, Ð.Â. Õðèñ-
òîñåíêî, À.Â. Ñàìîéëîâ è äð. // ÎÏÒ. � Êèåâ: Íàóê. äóìêà, 2011. � Âûï. 46. �
Ñ. 33�40.
8. Òîíê³ ïë³âêè ïîðèñòîãî îêñèäó àëþì³í³þ, îäåðæàí³ ³ìïóëüñíèì ëàçåðíèì îñà-
äæåííÿì, äëÿ ïîâåðõíåâèõ ïëàçìîí-ïîëÿðèòîííèõ ñåíñîðíèõ ñòðóêòóð / Þ.Â. Óøå-
í³í, Ð.Â. Õðèñòîñåíêî, À.Â. Ñàìîéëîâ òà ³í. // Ô³çèêà ³ õ³ì³ÿ òâåðäîãî ò³ëà. �
2012. � 13, ¹ 1. � Ñ. 259�264.
9. Ñïåêòðîìåòð ïîâåðõíåâîãî ïëàçìîííîãî ðåçîíàíñó Ïëàçìîí-6 / ª.Ô. ºíãåð,
Ñ.À. Çèíüî, ª.Ï. Ìàöàñ òà ³í. // Òåç. äîï. íàóê.-ïðàêò. êîíô. ÑÅÍÑÎÐ-2007,
Îäåñà, Óêðà¿íà. � 2007. � Ñ. 111.
10. http://www.mpip-mainz.mpg.de/johanns/ak_knoll_Software.htm
11. Âåíãåð ª.Ô., Ãîí÷àðåíêî À.Â., Äìèòðóê Ì.Ë. Îïòèêà ìàëèõ ÷àñòèíîê ³ äèñïåðñíèõ
ñåðåäîâèù. � Êèåâ: Íàóê. äóìêà, 2009. � 386 ñ.
12. Goncharenko A.V. Generalizations of the Bruggeman equation and a concept of shape-
distributed particle composites // Physical Review E. � 2003. � 68. � Ð. 041108.
13. Multiparametric chemical sensor based on nanocrystalline silicon waveguide / S.I. Lysenko,
E.B. Kaganovich, I.M. Kizyak, B.A. Snopok // Sensor Letters. � 2005. � 3. � P. 117�125.
Èíñòèòóò ôèçèêè ïîëóïðîâîäíèêîâ
èì. Â.Å. Ëàøêàðåâà
ÍÀÍ Óêðàèíû
Ïðîñïåêò Íàóêè, 41
03028 Êèåâ
Ïîëó÷åíî 18.04.2012
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-116713 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7577 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-02T11:32:36Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Ушенин, Ю.В. Христосенко, Р.В. Самойлов, А.В. Дорожинский, Г.В. Каганович, Э.Б. Манойлов, Э.Г. Снопок, Б.А. 2017-05-14T12:14:50Z 2017-05-14T12:14:50Z 2012 Оптоэлектронные сенсорные структуры на основе пленок пористого оксида алюминия, полученных импульсным лазерным осаждением / Ю.В. Ушенин, Р.В. Христосенко, А.В. Самойлов, Г.В. Дорожинский, Э.Б. Каганович, Э.Г. Манойлов, Б.А. Снопок // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника: Сб. научн. тр. — 2012. — Вип. 47. — С. 40-45. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0233-7577 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116713 535.394 Рассмотрены пленки пористого оксида алюминия (por-Al₂O₃), сформированные на поверхности золота методом импульсного лазерного осаждения (ИЛО) из обратного потока частиц эрозионного факела в атмосфере аргона. Методом спектроскопии полного внутреннего отражения с угловым разрешением установлено изменение оптических параметров таких структур при их экспозиции в парах воды, ацетона, этанола и гексана. Наблюдали корреляцию между смещением угла резонанса и показателем преломления аналитов. Анализ кинетических зависимостей при смене аналитов указывает на стабильность пленок и обратимость процессов сорбции. Большие значения относительного изменения эффективного коэффициента преломления, достигающие 10⁻², обусловлены большой внутренней поверхностью пленок por-Al₂O₃. Films of porous alumina (por-Al2O3) were formed on gold films by pulsed laser deposition (PLD) from the reverse flow of the erosion torch particles in an argon atmosphere. Measurements by method of total internal reflection spectroscopy with an angular resolution has shown changes in the optical parameters of such structures in their exposure to the vapors of water, acetone, ethanol and hexane. The correlation between the shift of the resonance angle and the refractive index of analytes were observed. Kinetic characteristics of the resonance angle position in case of analytes changing indicate the stability of the films and the reversibility of sorption processes. The large values of the relative change in the effective refractive index, reaching values to 10⁻², are caused by large internal surface of the por-Al₂O₃ film. ru Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України Оптоэлектроника и полупроводниковая техника Оптоэлектронные сенсорные структуры на основе пленок пористого оксида алюминия, полученных импульсным лазерным осаждением Optoelektronic sensor structure based on porous alumina films formed by pulsed laser deposition Article published earlier |
| spellingShingle | Оптоэлектронные сенсорные структуры на основе пленок пористого оксида алюминия, полученных импульсным лазерным осаждением Ушенин, Ю.В. Христосенко, Р.В. Самойлов, А.В. Дорожинский, Г.В. Каганович, Э.Б. Манойлов, Э.Г. Снопок, Б.А. |
| title | Оптоэлектронные сенсорные структуры на основе пленок пористого оксида алюминия, полученных импульсным лазерным осаждением |
| title_alt | Optoelektronic sensor structure based on porous alumina films formed by pulsed laser deposition |
| title_full | Оптоэлектронные сенсорные структуры на основе пленок пористого оксида алюминия, полученных импульсным лазерным осаждением |
| title_fullStr | Оптоэлектронные сенсорные структуры на основе пленок пористого оксида алюминия, полученных импульсным лазерным осаждением |
| title_full_unstemmed | Оптоэлектронные сенсорные структуры на основе пленок пористого оксида алюминия, полученных импульсным лазерным осаждением |
| title_short | Оптоэлектронные сенсорные структуры на основе пленок пористого оксида алюминия, полученных импульсным лазерным осаждением |
| title_sort | оптоэлектронные сенсорные структуры на основе пленок пористого оксида алюминия, полученных импульсным лазерным осаждением |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/116713 |
| work_keys_str_mv | AT ušeninûv optoélektronnyesensornyestrukturynaosnoveplenokporistogooksidaalûminiâpolučennyhimpulʹsnymlazernymosaždeniem AT hristosenkorv optoélektronnyesensornyestrukturynaosnoveplenokporistogooksidaalûminiâpolučennyhimpulʹsnymlazernymosaždeniem AT samoilovav optoélektronnyesensornyestrukturynaosnoveplenokporistogooksidaalûminiâpolučennyhimpulʹsnymlazernymosaždeniem AT dorožinskiigv optoélektronnyesensornyestrukturynaosnoveplenokporistogooksidaalûminiâpolučennyhimpulʹsnymlazernymosaždeniem AT kaganovičéb optoélektronnyesensornyestrukturynaosnoveplenokporistogooksidaalûminiâpolučennyhimpulʹsnymlazernymosaždeniem AT manoilovég optoélektronnyesensornyestrukturynaosnoveplenokporistogooksidaalûminiâpolučennyhimpulʹsnymlazernymosaždeniem AT snopokba optoélektronnyesensornyestrukturynaosnoveplenokporistogooksidaalûminiâpolučennyhimpulʹsnymlazernymosaždeniem AT ušeninûv optoelektronicsensorstructurebasedonporousaluminafilmsformedbypulsedlaserdeposition AT hristosenkorv optoelektronicsensorstructurebasedonporousaluminafilmsformedbypulsedlaserdeposition AT samoilovav optoelektronicsensorstructurebasedonporousaluminafilmsformedbypulsedlaserdeposition AT dorožinskiigv optoelektronicsensorstructurebasedonporousaluminafilmsformedbypulsedlaserdeposition AT kaganovičéb optoelektronicsensorstructurebasedonporousaluminafilmsformedbypulsedlaserdeposition AT manoilovég optoelektronicsensorstructurebasedonporousaluminafilmsformedbypulsedlaserdeposition AT snopokba optoelektronicsensorstructurebasedonporousaluminafilmsformedbypulsedlaserdeposition |