Formation of laterally ordered arrays of noble metal nanocavities for SERS substrates by using interference photolithography

• Опубліковано в: : Semiconductor Physics Quantum Electronics & Optoelectronics
• Дата: 2021
• Автори: Dan’ko, V.A., Indutnyi, I.Z., Myn’ko, V.I., Lytvyn, P.M., Lukaniuk, M.V., Bandarenka, H.V., Dolgyi, A.L., Redko, S.V.
• Формат: Стаття
• Мова: Англійська
• Опубліковано: Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України 2021
• Теми: Hetero- and low-dimensional structures
• Онлайн доступ: https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/216098
• Назва журналу: Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
• Цитувати: Formation of laterally ordered arrays of noble metal nanocavities for SERS substrates by using interference photolithography / V.A. Dan’ko, I.Z. Indutnyi, V.I. Myn’ko, P.M. Lytvyn, M.V. Lukaniuk, H.V. Bandarenka, A.L. Dolgyi, S.V. Redko // Semiconductor Physics Quantum Electronics & Optoelectronics. — 2021. — Т. 24, № 1. — С. 48-55. — Бібліогр.: 22 назв. — англ.

Using laterally ordered arrays of noble metal nanocavities as SERS substrates has been examined theoretically and experimentally. Simulation of the distribution of the electric field at the surface of nanostructures (nanocavities) has been carried out. The simulation results showed that cavities can be formed not only in a metal layer but in semiconductor or dielectric layers and then covered with a layer of a plasmon-supporting metal (silver or gold) 20…100-nm thick. In our work, chalcogenide glass has been used as a relief-forming layer. This paper presents the results of the development and optimization of processes providing formation of SERS substrates as two-dimensional arrays of noble metal nanocavities by using interference photolithography based on a two-layer chalcogenide photoresist. Prototypes of SERS substrates were made as substrates with different spatial frequencies (from 1200 to 800 mm⁻¹) and depths of nanocavities (from 250 to 500 nm). It was shown that the use of such nanocavities with sizes larger than 500 nm enables efficient analysis of the structure of macromolecules by using surface-enhanced Raman light scattering spectroscopy, since these macromolecules completely overlap with the regions of enhanced electric field inside the nanocavities. Technology of interference lithography based on two-layer chalcogenide photoresists makes it possible to form effective SERS substrates in the form of laterally ordered arrays of nanocavities with specified morphological characteristics (spatial frequency, nanocavity sizes, composition, and thickness of a conformal metal coating) for detecting high-molecular compounds. Недоліком традиційних SERS-підкладок є неможливість зареєструвати повністю спектр високомолекулярних сполук у зв’язку з тим, що не всі зв’язки такої молекули потрапляють у місця локалізації поля плазмонного збудження. Зазначену проблему можна подолати шляхом використання так званих плазмонних нанопорожнин або антинаночастинок. З метою створення SERS-підкладок у вигляді нанопорожнин в роботі проведено моделювання розподілу напруженості електричного поля біля поверхні наноструктур (нанопорожнин). Результати моделювання показали, що порожнини можна формувати в шарі напівпровідника або діелектрика і потім покривати шаром плазмон-несучого металу (срібла або золота) товщиною 20–100 нм. У роботі як рельєфоутворюючий шар використовується халькогенідне скло. Наведено результати розробки та оптимізації процесів формування SERS-підкладок у вигляді двовимірних масивів нанопорожнин благородних металів з використанням інтерференційної фотолітографії на основі двошарового халькогенідного фоторезисту. Показано, що технологія інтерференційної літографії з використанням двошарового халькогенідного фоторезисту дозволяє формувати ефективні SERS підкладки у вигляді латерально впорядкованих матриць нанопорожнин із заданими морфологічними характеристиками (просторовою частотою, розмірами нанопорожнин, складом та товщиною конформного металічного покриття) для детектування раманівського спектра високомолекулярних сполук, що, зокрема, підтверджується реєстрацією відтворюваних SERS спектрів молекул лізоциму.