Understanding the electromagnetic field enhancements in two-dimensional materials and its application to optical rectenna

了解二维材料中的电磁场增强及其在光学整流天线中的应用

基本信息

批准号：
22K04201
负责人：
内野俊
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Tohoku Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

二次元材料は安価で、持続可能なクリーンエネルギーを実現する次世代電子デバイス材料として期待されている。特に、グラフェンはシリコンの約100倍の高移動度を示すほか、柔軟性や耐久性に優れていることからグリーンエレクトロニクス材料として有望視されている。近年、二次元材料で通常のラマン分光法よりも6桁以上高い感度を示す表面増強ラマン散乱(SERS)が観測された。SERS効果のメカニズムとして、金属表面のプラズモンに由来する電磁場増強や電荷移動共鳴による化学効果が提唱されているが、原子1個分の厚さしかない二次元材料の特異なSERS効果はまだ十分な理解が得られていない。そこで、二次元材料におけるSERS効果のメカニズムを解明し、感染症やガンなどを診断する超高感度バイオケミカルセンサーを開発することを目的として研究を行った。初年度は、二次元材料のプラズモン増強場形成のメカニズムを解明し、SERS基板の高性能化を行った。最初に、薄層化したマイカ上にRFスパッタを用いて300℃の高温で銀を堆積した後、裏面に単層グラフェンを転写したSERS基板を作製した。銀薄膜表面には局在表面プラズモンを示すナノホールが自己組織的に形成されていた。被験物質として微量のローダミン6G 水溶液（1μM）を用いてラマン散乱分光を行った結果、グラフェン側を表面にして測定すると、裏面の銀からの反射によりSERS信号が大きく増強することがわかった。さらに、マイカ基板を通過したレーザー光を用いて測定すると、ローダミン6G起因の複数のピークを高感度に観測できることがわかった。これは、大気よりも屈折率や誘電率が大きいマイカ基板を通過したレーザー光が被験物質に照射したためと考えられる。また、グラフェンと被験物質間の電荷移動共鳴による化学効果がスローライト効果により増加したことが示唆された。

预计二维材料将是廉价且下一代的电子设备材料，可实现可持续的清洁能源。特别是，石墨烯被认为是一种有前途的绿色电子材料，因为它表现出比硅高约100倍，并且具有高度柔韧性和耐用性。最近，已经观察到了表面增强的拉曼散射（SER），该散射表现出比传统拉曼光谱法高六个数量级的二维材料的敏感性。作为SERS效应的一种机制，已经提出了由于电磁场增强和电荷转移共振引起的化学作用，这些效应是在金属表面上从等离子体中得出的，但是二维材料的独特SERS效应仅与一个原子一样厚，对单个原子的效应充分了解了单数SERS效应。因此，进行研究的目的是阐明二维材料中SERS效应的机制，并开发了超敏感的生化传感器，以诊断感染，癌症等。在第一年，我们阐明了形成等离子增强材料的等离子材料的机制，并改善了二维材料的性能，并改善了sersertrate的性能。首先，使用RF溅射在300°C的高温下沉积银在稀释的云母上，然后制造了SERS底物，将单层石墨烯转移到后表面。在银薄膜的表面上形成代表局部表面等离子体的纳米骨。使用痕量的若丹明6G水溶液（1μM）作为测试物质进行拉曼散射光谱，并且当用石墨烯侧作为表面进行测量时，发现从后表面的银反射会大大增强了SERS信号。此外，当使用穿过云母底物的激光测量时，发现可以高灵敏度观察到由若丹明6G引起的多个峰。这被认为是因为激光光穿过具有折射率指数的云母底物，并且将大于大气的介电常数辐射到测试物质上。还提出，慢光效应增加了石墨烯和测试物质之间电荷转移谐振的化学效应。