danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2018-62-5-615-622dan-560Research ArticleТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИTECHNICAL SCIENCESПлазмонно-активные серебряные наноструктуры в порах ионно-трекового шаблона SiO2 на кремнииPlasmon-active silver nanostructures in the pores of ion-track template of SiO2 on siliconЯкимчукД. В.YakimchukD. V.

Якимчук Дмитрий Владимирович - младший научный сотрудник.

Yakimchuk Dzmitry Vladimirovich - Junior researcher.

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

dim2yakim@gmail.comКанюковЕ. Ю.KaniukovE. Yu.

Канюков Егор Юрьевич - кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник.

Ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск 

Kaniukov Egor Yurevich - Ph. D. (Physics and Mathematics), Leading researcher.

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

ka.egor@mail.ruБундюковаВ. Д.BundyukovaV. D.

Бундюкова Виктория Дмитриевна - младший научный сотрудник.

Bundyukova Victoria Dmitrievna - Junior researcher.

19, P. Brovka Str., 220072, Minsk

victoria.bundyukova@gmail.comДемьяновС. Е.DemyanovS. E.

Демьянов Сергей Евгеньевич - доктор физико-математических наук, доцент, заведующий отделом.

Ул. П. Бровки, 19, 220072, Минск

Demyanov Sergey Evgen’evich - D. Sc. (Physics and Mathematics), Assistant professor, Head of the Department.

19, P. BrovkaStr., 220072, Minsk

demyanov@physics.byНаучно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедениюScientific and Practical Materials Research Centre of the National Academy of Sciences of Belarus201830102018625615622Copyright © Якимчук Д.В., Канюков Е.Ю., Бундюкова В.Д., Демьянов С.Е., 20182018Якимчук Д.В., Канюков Е.Ю., Бундюкова В.Д., Демьянов С.Е.Yakimchuk D.V., Kaniukov E.Y., Bundyukova V.D., Demyanov S.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/560

На сегодняшний день интенсивно исследуется возможность усиления сигнала комбинационного рассеяния света с целью реализации простого и надежного инструмента для контроля сверхмалых концентраций химических и биологических веществ. В качестве основы усиливающих сигнал подложек могут выступать плаз-монно-активные наноструктуры, степень усиления которых определяется их размером и формой. Формирование наноструктур с заранее заданной морфологией требует разработки новых методик. В связи с этим в работе рассматривается комплексный подход к получению в порах ионно-трековых шаблонов SiO2 на кремнии плазмонно-активных серебряных наноструктур, имеющих широкий спектр форм и размеров. Рассмотрены особенности создания SiO2-шаблонов и установлены скорости травления, однозначно определяющие параметры пор в зависимости от времени процесса. Описаны особенности формирования серебряных наноструктур в порах Si02-шаблона при различных размерах пор и режимах синтеза (время и температура раствора). Показана возможность создания наноструктур с различной формой и продемонстрированы закономерности эволюции их морфологии при изменении параметров синтеза. С использованием дендритов, имеющих высокий потенциал для практического применения для усилении сигнала комбинационного рассеяния света, на примере модельного аналита Nile Blue с концентрацией 10-6 моль/л продемонстрирована возможность регистрации спектров комбинационного рассеяния света. Полученные результаты свидетельствуют, что плазмонно-активные серебряные наноструктуры в порах ионно-трекового шаблона SiO2 на кремнии могут найти применение при создании биосенсоров для регистрации сверхнизких доз химических и биологических веществ.

Представлено членом-корреспондентом В.М. Федосюком

Today, the possibility of amplifying the signal of Raman scattering is intensively studied in order to realize a simple and reliable tool for monitoring of ultra-small concentrations of chemical and biological substances. Plasmon-active nanostructures can serve as the basic element of substrates for signal amplifying, and the degree of amplification is determined by nanostructures size and shape. The formation of nanostructures with a predetermined morphology requires the development of new approaches. In this concern, the paper considers a complex approach of plasmon-active silver nanostructures with a wide range of shapes and sizes formation in the pores of ion-track Sio2 templates on silicon. The peculiarities of SiO2 templates creation are considered and the etching rates, uniquely determining the parameters of the pores as a function of the etching time, are established. The features of the silver nanostructures formation in the pores of the SiO2 template are described for various pore sizes and synthesis regimes (time and solution temperature). The possibility of formation of nanostructures with different shapes as well as evolution of their morphology with variation of synthesis parameters is shown. on the example of dendrites, having a high potential for practical application for amplification of the Raman scattering signal, the possibility of recording Raman spectra was demonstrated using the model analyzer Nile Blue at the concentration of 10-6 M/l. The results indicate that plasmon-active silver nanostructures in the pores of ion-track Si02 template on silicon can be used as basic element of biosensors to studying ultra-low doses of chemical and biological substances.

Communicated by Corresponding Member Valery M. Fedosyuk

серебряные наноструктурыплазмонные наноструктурышаблонный синтездендритыкомбинационное рассеяние светаsilver nanostructuresplasmonic nanostructurestemplate synthesisdendritesRaman scatteringReferencesHalvorson, R. A. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) for Environmental Analyses / R. A. Halvorson, P. J. Vikesland // Environ. Sci. Technol. - 2010. - Vol. 44, N 20. - P. 7749-7755. https://doi.org/10.1021/es101228zHalvorson R. A., Vikesland P. J. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) for Environmental Analyses. Environmental Science & Technology, 2010, vol. 44, no. 20, pp. 7749-7755. https://doi.org/10.1021/es101228zClinical SERS: are we there yet? / K. W. Kho [et al.] // J. Biophotonics. - 2011. - Vol. 4, N 10. - P. 667-684. https://doi.org/10.1002/jbio.201100047Kho K. W., Fu C. Y., Dinish U. S., Olivo M. Clinical SERS: are we there yet? Journal of Biophotonics, 2011, vol. 4, no. 10, pp. 667-684. https://doi.org/10.1002/jbio.201100047Kneipp, K. Surface-enhanced raman scattering / K. Kneipp // Phys. Today. - 2007. - Vol. 60, N 11. - P. 40-46. https://doi.org/10.1063/1.2812122Kneipp K. Surface-enhanced raman scattering. Physics Today, 2007, vol. 60, no. 11, pp. 40-46. https://doi. org/10.1063/1.2812122On the chemical bonding effects in the Raman response: Benzenethiol adsorbed on silver clusters / S. K. Saikin [et al.] // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2009. - Vol. 11, N 41. - P. 9401-9411. https://doi.org/10.1039/b906885fSaikin S. K., Olivares-Amaya R., Rappoport D., Stopa M., Aspuru-Guzik A. On the chemical bonding effects in the Raman response: Benzenethiol adsorbed on silver clusters. Physical Chemistry Chemical Physics, 2009, vol. 11, no. 41, pp. 9401-9411. https://doi.org/10.1039/b906885fExploring the chemical enhancement for surface-enhanced Raman scattering with Au bowtie nanoantennas / D. P. Fromm [et al.] // J. Chem. Phys. - 2006. - Vol. 124, N 6. - P. 61101. https://doi.org/10.1063/L2167649Fromm D. P., Sundaramurthy A., Kinkhabwala A., Schuck P. J., Kino G. S., Moerner W. E. Exploring the chemical enhancement for surface-enhanced Raman scattering with Au bowtie nanoantennas. Journal of Chemical Physics, 2006, vol. 124, no. 6, pp. 61101. https://doi.org/10.1063/L2167649Electromagnetic theories of surface-enhanced Raman spectroscopy / S.-Y. Ding [et al.] // Chem. Soc. Rev. - 2017. -Vol. 46, N 13. - P. 4042. https://doi.org/10.1039/c7cs00238fDing S.-Y., You E.-M., Tian Z.-Q., Moskovits M. Electromagnetic theories of surface-enhanced Raman spectroscopy. Chemical Society Reviews, 2017, vol. 46, no. 13, pp. 4042. https://doi.org/10.1039/c7cs00238fNoguez, C. Surface Plasmons on Metal Nanoparticles: The Influence of Shape and Physical Environment / C. Noguez // J. Phys. Chem. C. - 2007. - Vol. 111, N 10. - P. 3806-3819. https://doi.org/10.1021/jp066539mNoguez C. Surface Plasmons on Metal Nanoparticles: The Influence of Shape and Physical Environment. Journal of Physical Chemistry C, 2007, vol. 111, no. 10, pp. 3806-3819. https://doi.org/10.1021/jp066539mHigh energy ion beam irradiation of polymers for electronic applications / D. Fink [et al.] // Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms. - 2005. - Vol. 236, N 1-4. - P. 11-20. https://doi.org/10.1016/). nimb.2005.03.243Fink D., Alegaonkar P.S., Petrov A. V., Wilhelm M., Szimkowiak P., Behar M., Sinha D., Fahrner W. R., Hoppe K., Chadderton L. T. High energy ion beam irradiation of polymers for electronic applications. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2005, vol. 236, no. 1-4, pp. 11-20. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2005.03.243Evolution of the polyethylene terephthalate track membranes parameters at the etching process / E. Y. Kaniukov [et al.] // J. Contemp. Phys. (Armenian Acad. Sci.). - 2017. - Vol. 52, N 2. - P. 155-160. https://doi.org/10.3103/s1068337217020098Kaniukov E. Y., Shumskaya E. E., Yakimchuk D. V., Kozlovskiy A. L., Ibragimova M. A., Zdorovets M. V. Evolution of the polyethylene terephthalate track membranes parameters at the etching process. Journal of Contemporary Physics (Armenian Academy of Sciences), 2017, vol. 52, no. 2, pp. 155-160. https://doi.org/10.3103/s1068337217020098Benyagoub, A. Ion tracks in amorphous silica / A. Benyagoub, M. Toulemonde // J. Mater. Res. - 2015. - Vol. 30, N 9. -P. 1529-1543. https://doi.org/10.1557/jmr.2015.75Benyagoub A., Toulemonde M. Ion tracks in amorphous silica. Journal of Materials Research, 2015, vol. 30, no. 9, pp. 1529-1543. https://doi.org/10.1557/jmr.2015.75Tunable nanoporous silicon oxide templates by swift heavy ion tracks technology / E. Y. Kaniukov [et al.] // Nanotechnology. - 2016. - Vol. 27, N 11. - P. 115305. https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/11/115305Kaniukov E. Y., Ustarroz J., Yakimchuk D. V., Petrova M., Terryn H., Sivakov V., Petrov A. V. Tunable nanoporous silicon oxide templates by swift heavy ion tracks technology. Nanotechnology, 2016, vol. 27, no. 11, p. 115305. https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/11/115305Devine, R. A. B. Macroscopic and microscopic effects of radiation in amorphous SiO2 / R. A. B. Devine // Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. with Mater. Atoms. - 1994. - Vol. 91, N 1-4. - P. 378-390. https://doi. org/10.1016/0168-583x(94)96253-7Devine R. A. B. Macroscopic and microscopic effects of radiation in amorphous Sio2. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 1994, vol. 91, no. 1-4, pp. 378-390. https:// doi.org/10.1016/0168-583x(94)96253-7Silver nanocrystals with special shapes: controlled synthesis and their surface-enhanced Raman scattering properties / M. Yan [et al.] // RSC Adv. - 2014. - Vol. 4, N 1. - P. 98-104. https://doi.org/10.1039/c3ra44437fYan M., Xiang Y., Liu L., Chai L., Li X., Feng T. Silver nanocrystals with special shapes: controlled synthesis and their surface-enhanced Raman scattering properties. RSC Advances, 2014, vol. 4, no. 1, pp. 98-104. https://doi.org/10.1039/ c3ra44437fFeng, C. Silver nano-dendritic crystal film: a rapid dehydration SERS substrate of totally new concept / C. Feng, Y. Zhao, Y. Jiang // RSC Adv. - 2015. -Vol. 5, N 6. - P. 4578-4585. https://doi.org/10.1039/c4ra11376dFeng C., Zhao Y., Jiang Y. Silver nano-dendritic crystal film: a rapid dehydration SERS substrate of totally new concept. RSC Advances, 2015, vol. 5, no. 6, pp. 4578-4585. https://doi.org/10.1039/c4ra11376d

The authors declare that there are no conflicts of interest present.