Ученые ТПУ выяснили, как структура поверхности влияет на точность наноизображений

Коллектив ученых Томского политехнического университета проанализировал влияние структуры поверхности подложки на оптические сигналы в наноспектроскопии. Политехникам удалось выявить ряд так называемых артефактов, влияющих на точность полученных наноизображений.   Статья, посвященная исследованию, опубликована в журнале Ultramicroscopy.

Напомним, международный научный коллектив под руководством профессора Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Рауля Родригеса и профессора Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Евгении Шеремет развивает в ТПУ новое направление оптической наноспектроскопии, а также занимается разработкой плазмонных и сенсорных материалов для биомедицины и электроники. Недавно Евгения Шеремет стала победительницей престижного конкурса  «Для женщин в науке» — совместного проекта ЮНЕСКО и компании L'Oreal.

В рамках научного проекта исследователи применяют подходы нанооптики, используя наноантенны, позволяющие изучать отдельные наночастицы, например, отдельную нанотрубку или нанокластер и неоднородности внутри них. Эта исследовательская методика называется зондово-усиленной рамановской спектроскопией. В этом случае наноантенна помещается на зонд атомно-силового микроскопа, что позволяет сканировать изучаемую поверхность. Наноантенна облучается лазером, а спектр рассеянного света детектируется рамановским спектрометром.

Подобный метод, говорят ученые, необходим для оптимизации наноструктуры в процессе разработки, например, солнечных батарей, органических или твердотельных транзисторов (ключевого элемента любой электроники) или органических светоизлучающих диодов. Он позволяет увидеть химический состав, химические реакции, механические напряжения в очень малых областях.

При этом для того, чтобы достигнуть разрешения менее 10 нанометров, политехники используют хорошо отражающую подложку из золота или серебра. Поверхность данной подложки может быть неровной, что вызовет определенное искажение изображения, называемое артефактом. В рамках исследования, описанного в статье, ученые ТПУ выясняли, как именно такие артефакты влияют на точность изображения.

«Артефакты наноспектроскопии   рассматривались буквально в нескольких статьях ученых из Румынии, США и так далее. Однако там изучались другие аспекты этого эффекта. Особенности нашего исследования в том, что мы рассматриваем как выпуклые, так и вогнутые поверхности, влияние формы самого зонда», — говорит Евгения Шеремет .

По словам ученых, они исследовали три системы: первая — подложка из золота, на которой находится слой молекул органического красителя  толщиной от 2 до 40 нанометров. Вторая — кремневая подложка с золотыми структурами и молекулами красителя. Третья — вогнутая поверхность в виде подложки из полистироловых сфер, покрытых слоем металла (золото или серебро) и молекулами красителя. В результате оказалось возможным не только описать ранее не опубликованные типы артефактов, но и представить более полную картину взаимодействия зонда и поверхности.

«Сам зонд представляет собой очень острую иглу. Когда мы сканируем поверхность, мы, образно говоря, "прощупываем" ее зондом. При этом, если на поверхности подложки есть препятствие, то, применяя методы спектроскопии, электромагнитное  взаимодействие наноантенны с поверхностью может вызвать искажение полученной картинки. Как именно эти артефакты влияют на конечный результат?

Во-первых, когда мы анализируем интенсивность сигнала, то в классической микроспектроскопии  она зависит от количества вещества. В наноспектроскопии мы видим, что гораздо больше на интенсивность влияет структура поверхности, чем количество вещества. Во-вторых, артефакты могут вызывать искажение размеров структур. В-третьих, изображение может смещаться по отношению к реальному положению структуры»

, — поясняет профессор.

Отметим, исследование реализуется в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований (№18-42-700014 р_а). Работы проводились совместно с коллегами из Хемницкого технического университета (Германия) и Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук.