Sdílet
18. listopadu 2019
Spektroskopii energiových ztrát elektronů a v transmisním elektronovém mikroskopu se na CEITEC VUT věnuje už čtvrtým rokem Michal Horák z výzkumné skupiny Příprava a charakterizace nanostruktur. Nedávno také s kolegy dokončil projekt Grantové agentury ČR, v rámci něhož zkoumali a mapovali plazmonové rezonance v plazmonických nanoanténách s využitím Babinetova principu. Jako první na světě prozkoumali limity tohoto principu právě pro plazmoniku. V následujících dvou letech by pak Michal Horák rád prozkoumal i vliv interakce mezi anténami a aperturami v závislosti na jejich vzdálenosti od sebe.
Před čtyřmi lety, když se na CEITEC VUT nainstalovaly nové mikroskopy, se Michal Horák chopil jejich prozkoumání. „V tématu měření plazmonových rezonancí s využitím spektroskopie energiových ztrát elektronů v transmisním elektronovém mikroskopu jsem začínal v podstatě od nuly,“ podotkl s úsměvem Horák, který oblast mapuje ve své dizertační práci. Hlavní výhodou této techniky je podle něj kombinace nanometrového prostorového rozlišení a dobrého energiového rozlišení.
Postupně se ale skupině podařilo získat řadu zajímavých projektů v rámci Grantové agentury ČR. Jedním z nich byl nedávno dokončený výzkum plazmonických rezonancí v plazmonických nanoanténách. „Plazmonická nanoanténa je jakákoliv kovová nanočástice na nějakém substrátu. V našem případě to byly zlaté struktury na silikon nitridových membránách. Lokalizované povrchové plazmony jsou kolektivní oscilace volných elektronů v této anténě, které tvoří jednotlivé módy a jsou spojené s lokálním elektromagnetickým polem. My je excitujeme polem vybuzeným průchodem fokusovaného svazku elektronů. Tím je rozkmitáme. Elektrony předají lokalizovaným plazmonům svoji energii. Když následně měříme ztrátové spektrum, vidíme takzvaný pík ve ztrátovém spektru, který odpovídá vybuzené rezonanci,“ popsal základní princip Horák.
Výzkumníci porovnali elektronovou a iontovou litografii. Doporučili obě
V rámci projektu odborníci srovnávali dvě výrobní metody, a to elektronovou litografii a iontovou litografii. „V elektronové litografii naneseme rezist, pomocí elektronového svazku vytvoříme vzor, následně tento vzor vyvoláme, nadeponujeme kov, v našem případě zlato, a následným odplavením zbylého rezistu a zlata dostaneme výslednou strukturu. Naproti tomu v iontové litografii naneseme zlatou vrstvu. Pomocí iontů pak už pouze odprášíme zlato z míst, kde ho nechceme,“ přiblížil Michal Horák popsané metody výroby částicových antén a apertur. V rámci odborného článku pak autoři výzkumu doporučili využití obou metod. „V rámci elektronové litografie vytvoříme kvalitnější antény. Když ale potřebujeme pouze pár kusů, je lepší použít iontovou litografii, protože je to rychlejší a snazší proces. Ačkoliv jsou antény kvalitativně horší, stále se dají použít,“ dodal Horák. Uplatnění pak metody najdou například v senzorice. „Vytvoříme povrch z plazmonických antén, naváže se na něj nějaká látka, tím se lokálně změní index lomu, posune se plazmonová rezonance a senzor například lehce změní barvu,“ objasnil Horák.
Další částí projektu bylo prozkoumání Babinetova principu v plazmonice. „Je to princip pocházející ze světelné optiky. Říká, že difrakční obrazec od neprůsvitného disku je stejný jako difrakční obrazec od díry v nepropustném stínítku, která má stejný tvar a stejnou velikost. V plazmonice jsme pak očekávali, že částicové antény a aperturní antény, to znamená díry v kovové vrstvě, stejného tvaru a stejné velikosti, by měly mít podobné vlastnosti. A podobnými vlastnostmi myslím stejnou rezonanční energii. Dále se tam obměňuje blízké elektrické pole za magnetické, což znamená, že elektrické pole v částici odpovídá magnetickému poli v apertuře a naopak,“ vysvětlil Michal Horák.
Podle něj se princip potvrdil z kvalitativního hlediska. „Přibližně to tak skutečně funguje. Antény a apertury mají podobnou rezonanční energii a pole mají podobný průběh. Na druhou stranu ale ve viditelné oblasti, kde jsme se s anténami pohybovali, princip neodpovídá kvantitativně,“ upozornil Horák s tím, že se liší velikost daných veličin. „Jeden z možných důvodů může být, že ideální platnost principu vyžaduje nekonečně tenkou strukturu s nekonečnou vodivostí a nekonečným počtem elektronů uvnitř,“ dodal s úsměvem Horák. Český tým tím ale jako první na světě prozkoumal limity Babinetova principu v plazmonice. „Stále se to dá použít pro přibližné zobrazení rozložení magnetického pole. Spektroskopie energiových ztrát elektronů je citlivá pouze na elektrické pole. Pokud chceme měřit magnetické pole, tak jednou z možností je vytvořit si komplementární strukturu a změřit elektrické pole v této komplementární struktuře. Tím získáme určitou představu o magnetickém poli v původní struktuře,“ uvedl Horák s tím, že daná zjištění a limity jsou zásadní zejména pro aplikovaný výzkum a použití ve výrobě.
Prestižní stipendium umožní lépe prozkoumat antény
V recenzním řízení je momentálně i článek věnující se anténám typu bow-tie a diabolo. „Použili jsme u nich právě Babinetův princip k zobrazování magnetického pole. Na těchto anténách je nádherně vidět, jak si můžeme kvalitativně zobrazit, kde které pole pro daný mód je. Vyrobíme si přímou strukturu, změříme rozložení elektrického pole pro dané módy, vyrobíme invertovanou strukturu a změříme rozložení magnetického pole pro ty stejné módy. Ve finále tak známe rozložení jak blízkého elektrického, tak magnetického pole,“ objasnil Michal Horák.
Ten se nyní věnuje novému GAČR projektu, který se jim podařilo získat. „Jedná se o plazmoluminiscenci. Konkrétně luminiscenci 2D materiálů, která by měla být zesílena vlivem povrchových plazmonů. Zatím jsme ale v začátcích, takže žádné výsledky ještě nemáme,“ popsal Michal Horák. „Dále budu také v rámci projektu podpořeného prestižním dvouletým stipendiem ThermoFisher Scientific a Československé mikroskopické společnosti 2019 pokračovat ve studiu antén typu bow-tie a diabolo a zkoumat vliv interakce mezi anténami a aperturami v závislosti na jejich vzdálenosti od sebe,“ uzavřel Michal Horák.
Odborný kontakt
