Дисертацію присвячено: встановленню фізичних механізмів гібридизації поверхневої плазмонної моди 2D-моношару металевих наночастинок та поверхневої плазмонної поляритонної моди поверхні металу, наслідком якої є утворення колективної плазмонної щілинної моди в планарних плазмонних наноструктурах резонаторного типу «моношар наночастинок (НЧ) металу / діелектрична плівка / поверхня металу»; дослідженню ефектів впливу характеристик зазначених наноструктур на ефективність збудження щілинної моди; дослідженню ефектів плазмонного підсилення оптичних процесів у молекулах, розташованих в плазмонних нанорезонаторах; аналізу можливості застосування зазначених плазмонних резонаторних наноструктур як бази для розробки плазмонних пристроїв, в яких є потреба в плавній контрольованій зміні оптичного відгуку, та високочутливих сенсорів для люмінесцентного детектування біомолекул.
Об’єктом досліджень є планарні шаруваті плазмонні наноструктури типу «2D-шар наночастинок металу / плівка діелектрика / поверхня металу». Предметом дослідження є вплив ефектів плазмонної близькопольової взаємодії на спектральні характеристики планарних плазмонних резонаторних наноструктур.
У дослідженнях використано наступні методи: спектроскопічні (поглинання, відбивання, фотолюмінесценція), мікроскопія (люмінесцентна, атомно-силова, просвічуюча та скануюча електронна), а також чисельні розрахунки, зокрема методом FDTD. Комплексний характер проведення досліджень за допомогою добре розвинених і апробованих сучасних експериментальних методик та теоретичних розрахунків, відтворюваність експериментальних результатів та узгодження експериментальних даних з результатами теоретичних розрахунків дає підстави вважати проведені дослідження достовірними. Проведено детальну спектральну та структурну характеризацію наносистем, виготовлених на основі металів Au, Ag, Al та Ni, при кімнатних температурах з використанням сучасних експериментальних методів.
Проаналізовано спектральні характеристики екстинкції світла в системі «моношар НЧ Au / прошарок шелаку / плівка Al». Показано, що при зменшенні товщини прошарку шелаку плазмонна взаємодія підсилюється, наслідком чого є сильний червоний зсув піку плазмонного резонансу та нелінійна зміна інтенсивності з максимумом при товщині плівки шелаку ~70 нм. Показано, що використання планарних наноструктур «моношар НЧ металу/ плівка діелектрика/ плівка металу» дає можливість контрольовано змінювати спектральні характеристики піку екстинкції світла шляхом зміни розміру НЧ, міжчастинкової відстані та товщини діелектричного прошарку.
Методами оптичної спектроскопії встановлено умови збудження плазмонної щілинної моди в планарних плазмонних наноструктурах різних типів. Виявлено збудження колективної щілинної моди плазмонного нанорезонатора «моношар наночастинок Au / прошарок шелаку / плівка Al»: при товщині прошарку шелаку < 30 нм у спектрах екстинкції внаслідок гібридизації поверхневої плазмонної моди шару НЧ та делокалізованої плазмонної поляритонної моди плівки металу з’являється новий пік, що відповідає щілинній моді системи.
Експериментально і теоретично досліджено кутові та поляризаційні залежності спектрів екстинкції плазмонної наноструктури, утвореної моношаром НЧ Au розміром ~ 90 нм, плівкою шелаку товщиною 10 нм та плівкою Al товщиною 5 нм. Спостерігалися спектральні прояви збудження трьох плазмонних мод: плазмонної моди шару НЧ та двох щілинних плазмонних мод і . Показано, що розщеплення щілинної моди на дві компоненти зумовлене різною орієнтацією (перпендикулярною чи паралельною) плазмонного дипольного моменту відносно площини щілини.
Встановлено, що зміна ширини щілини плазмонного резонатора «моношар наночастинок Au / композитний прошарок “шелак-барвник” / плівка Au» істотно впливає на фотолюмінесценцію молекул барвника, розташованих між шаром НЧ та металевою плівкою. Показано, що зменшення товщини прошарку “шелак-барвник” між шаром НЧ Au та плівкою Au спричиняє зростання інтенсивності фотолюмінесценції барвника. Порівняння результатів розрахунків із експериментальними даними (11-кратне підвищення інтенсивності та червоний зсув смуги випромінювання барвника на 48 нм) демонструє їхню хорошу кількісну узгодженість. Отримане співпадіння експерименту і теорії підтверджує ключову роль щілинної плазмонної моди у підсиленні локального електромагнітного поля в планарних плазмонних нанорезонаторах, які є перспективними в якості основи для новітніх нанофотонних підсилювачів.
