شبیه‌سازی و تحلیل پارامترهای موثر بر پاسخ طیفی فاکتورتقویت میدان الکتریکی در یک سیستمAFM-TERS پیشنهادی

روش‌های هوشمند در صنعت برق

مقاله 8، دوره 13، شماره 50، شهریور 1401، صفحه 123-132   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

محسن کاتبی جهرمی؛ رحیم غیور^* ؛ زهرا عادل پور

گروه مهندسی برق- واحد شیراز، دانشگاه آزاد اسلامی، شیراز، ایران

چکیده

یکی از پیشرفت­های مهم سال­های اخیر در دستگاه رامان، تلفیق آن با میکروسکوپ پروب روبشی (SPM) به­­خصوص میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) بوده ­است. میکروسکوپ نیروی اتمی در حال حاضر به­عنوان یکی از بـهترین روش­های تصویر­برداری برای مطالعه توزیع ناهمگون سطح در ابعاد نانو شناخته می­شود. در سال­های اخیر دانشمندان بر روی به­دست آوردن فاکتور تقویت میدان الکتریکی بیشتر متمرکز شده­اند تا آنجا که آشکارسازی و نقشه­برداری از یک مولکول تنها با این روش امکان­پذیر شده است. در نتیجه رزولوشن فضایی جهـت تشخیص در مقیاس زیر ­مولکول ­­­در حال بهـبود است. در این مقاله با استفاده از روش محاسباتی تفاضلی محدود در حوزه زمان (FDTD) اثر تغییر پارامترهای پروب مثل زاویه مخروط، شعاع تیپ و ‌‌جنس آن بر میزان شدت میدان الکتریکی نزدیک به نوک پروب مورد بررسی قرار گرفته ­است. در نهایت­­­­ ­­­پس از یافتن بهترین ساختار تیپ و نوع پلاریزاسیون نور تابشی، اثر استفاده از زیر­لایه در سیستم طیف­سنجی رامان تقویت­ شده سوزنی (TERS) پیشنهادی بررسی شده است. نتایج شبیه­سازی­­­­­ها نشان می­دهد که با توجه به ابعاد تیپ انتخاب شده از بین زاویه­های مخروط بررسی شده زاویه مخروط 30 درجه بیشترین میزان تقویت میدان الکتریکی در نوک تیپ را ایجاد می­کند. همچنین به­کار بردن منبع نور تابشی با پلاریزاسیون دایره­ای و استفاده از زیرلایه از عوامل بسیار موثر جهت بهبود فاکتور تقویت میدان الکتریکی هستند. در انتها برای ساختار طراحی شده ماکزیمم مقدار فاکـتور تقویت میدان الـکـتریکی 10⁴×2/3 به­دست آمده است، که این مقدار در مقایسه با نتایج گزارش شده در مطالعات قبلی بهبود قابل توجه داشته­‌‌‌‌‌‌ است.

کلیدواژه‌ها

تشدید پلاسمون‌های سطحی محلی؛ طیف‌‌سنجی رامان تقویت‌شده سوزنی؛ نوک تیپ؛ میکروسکوپ نیروی اتمی

مراجع

[1] M. Schmitt, J. Popp, “Raman spectroscopy at the beginning of the twenty- first century”, Journal of Raman Spectroscopy, vol. 37, no. 1-3, pp. 20-28, Jan. 2006 (doi: 10.1002/jrs.1486).

[2] C. Gao, W. Lin, J. Wang, R. Wang, J. Wang, “Principle and application of tip-enhanced raman scattering”, Plasmonics, vol. 13, pp. 1343-1358, 2018 (doi: 10.1007/s11468-017-0638-6).

[3] F. Shao, R. Zenobi, “Tip-enhanced raman spectroscopy: Principles, practice, and applications to nanospectroscopic imaging of 2D materials”, Analytical and Bioanalytical Chemistry, vol. 411, pp. 37–61, 2019 (doi: 10.1007/s00216-018-1392-0).

[4] Z. Shen, X. Zi, M. Du, L. Zhang, Y. Shen, M. Hu, “Virtual probe stimulated tip-enhanced raman spectroscopy: The extreme field enhancement in virtual-real probe dimer”, Journal of Applied Physics, vol. 129, Article Number: 133104, April 2021 (doi: 10.1063/5.0046647).

[5] N. Mauser, A. Hartschuh, “Tip-enhanced near-field optical microscopy”, Chemical Society Reviews, vol. 43, pp. 1248-1262, Feb. 2014 (doi: 10.1039/C3CS60258C).

[6] R. Petry, N.C. Oliveira, A.C. Alves, A.G.S. Filho, D.S.T. Martinez, G. Hwang, F.A. Sousa, A.J. Paula, “Chapter 2- Nanomaterials properties of environmental interest and how to assess them”, Advanced Nanomaterials, pp. 45-105, 2019 (doi: 10.1016/B978-0-12-814829-7.00002-1).

[7] N. Kumar, S. Mignuzzi, W. Su, D. Roy, “Tip enhanced Raman spectroscopy: principles and applications”, EPJ Techniques and Instrumentation, vol. 2, Article Number: 9, July 2015 (doi: 10.1140/epjti/s40485-015-0019-5).

[8] N. Kazemi-Zanjani, S. Vedraine, F. Lagugné-Labarthet, “Localized enhancement of electric field  in tip enhanced raman spectroscopy using radially and linearly polarized light”, Optics Express, vol. 21, no. 21, pp. 25271–25276, Oct. 2013 (doi: 10.1364/OE.21.025271).

[9] S. Najjar, D. Talaga, L. Schue, Y. Coffinier, S. Szunerits, R. Boukherroub, L. Servant, V. Rodriguez, S. Bonhommeau, “Tip-enhanced raman spectroscopy of combed double-stranded DNA bundles”, The Journal of  Physical Chemistry  C, vol. 118,  no. 2, pp. 1174–1181, 2014 (doi: 10.1021/jp410963z).

[10]  X. Wang, D.  Zhang, K. Braun, H. J. Egelhaaf, C.J. Brabec, A.J. Meixner, “High-resolution spectroscopic mapping of the chemical contrast from nanometer domains in P3HT: PCBM organic blend films for solar-cell applications”, Advanced Functional Materials, vol. 20,  no. 3, pp. 492–499, Feb. 2010 (doi: 10.1002/adf­m.20­090­1930).

[11] N. Lee, R. D. Hartschuh, D. Mehtani, A. Kisliuk, J.F. Maguire, M. Green, M.D. Foster, A.P. Sokolov, “High contrast scanning nano-Raman spectroscopy of silicon”, Journal of Raman Spectroscopy, vol. 38, no. 6, pp. 789–796, June 2007 (doi: 10.1002/jrs.1698). 

[12] Y. Okuno, Y. Saito, S. Kawata, P. Verma, “Tip-enhanced Raman investigation of extremely localized semiconductor-to-metal transition of a carbon nanotube”, Physical Review Letters, vol. 111, no. 21, Article Number: 216101, Nov. 2013 (doi: 10.1103/PhysRevLett.111.216101).

[13]  W. Su, D. Roy, “Visualizing graphene edges using tip-enhanced Raman spectroscopy”, Journal of Vacuum Science and Technology B, vol. 31, Article Number: 041808, July 2013 (doi: 10.1116/1.4813848).

[14] R. Zhang, Y. Zhang, Z.C. Dong, S. Jiang, C. Zhang, L.G. Chen, L. Zhang,Y. Liao, J. Aizpurua,Y. Luo, J.L. Yang, J.G. Hou, “Chemical mapping of a single molecule by Plasmon-enhanced Raman scattering”, Nature, vol. 498, pp. 82–86, June 2013 (doi: 10.1038/nature12151).

[15] B. Huang, M. Bates, X.W. Zhuang, “Super-resolution fluorescence microscopy”, Annual Review of Biochemistry, vol. 78,  pp. 993–1016, 2009 (doi: 10.1146/annurev.biochem.77.061906.092014).

[16] N. Kumar, B.M. Weckhuysen, A.J. Wain, A.J. Pollard, “Nanoscale chemical imaging using tip-enhanced Raman spectroscopy”, Nature Protocols, vol. 14, pp. 1169–1193, 2019 (doi: 0.1038/s41596-019-0132-z).

[17] D. Kim, C. Lee, B.G. Jeong, S.H. Kim, M.S. Jeong, “Fabrication of highly uniform nanoprobe via the automated process for tip-enhanced Raman spectroscopy”, Nanophotonics, vol. 9, no. 9 , pp. 2989-2996, 2020 (doi: 10.1515/nanoph-2020-0210).

[18] F. Lu, W. Zhang, J. Zhang, M. Liu, L. Zhang, T. Xue, C. Meng, F. Gao, T. Mei, J. Zhao, “Grating-assisted coupling enhancing plasmonic tip nanofocusing illuminated via radial vector beam”, Nanophotonics, vol. 8, no. 12, pp. 2303–2311, 2019 (doi: 10.1515/nanoph-2019-0329).

[19] Z. Yang, J. Aizpurua, X. Hongxing, “Electromagnetic field enhancement in TERS configurations”, Journal of  Raman Spectroscopy, vol. 40, pp. 1343–1348, 2009 (doi: 10.1002/jrs.2429).

[20] L.Y. Meng, T.X. Huang, X. Wang, S. Chen, Z.L. Yang, B. Ren, “Gold-coated AFM tips for tip enhanced   Raman spectroscopy: Theoretical calculation and experimental demonstration”, Optics  Express, vol. 23, no. 11, pp. 13804–13813, 2015 (doi: 10.1364/OE.23.013804).

[21] S. Bruzzone, M. Malvaldi, G.P. Arrighini, C. Guidotti, “Theoretical study of electromagnetic scattering by metal nanoparticles”, The Journal of Physical Chemistry B, vol. 109, 9, pp. 3807-3812, 2005 (doi: 10.102­1­/jp­045451a).

[22] K.S. Kunz, R.J. Luebbers, “The finite difference time domain method for method for electromagnetics”, CRC Press, 1993 (ISBN: 9780367402372).

[23] K. Yee, “Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media”, IEEE Trans. on antennas and propagation, vol. 14, no. 3, pp. 302-307, May 1966 (doi: 10.1109/T­AP.19­66. 1138693).

[24] D.M. Sullivan, “Electromagnetic simulation using the FDTD method”, 2^th Edition, John Wiley and Son, 2013 (doi: 10.1002/9781118646700).

[25] F. Monsefi, M. Otterskog, S. Silvestrov, “Direct and inverse computational methods for electromagnetic scattering in biological diagnostics”, arXiv Preprint arXiv, vol. 1312, Article Number: 4379, 2013.

[26] P.B. Johnson, R.W. Christy, “Optical constants of the noble metals”, Physical Review B, vol. 6, pp. 4370-4379, 1972 (doi: 10.1103/PhysRevB.6.4370).

[27] Q. Zhan, “Cylindrical vector beams: from mathematical concepts to applications”, Advances in Optics and Photonics, vol. 1, no. 1, 2009 (doi: 10.1364/AOP.1.000001).

[28] B. Richards, E. Wolf, “Electromagnetic diffraction in optical systems. II. Structure of the image field in an aplanatic system”,  Proceedings of the  Royal Society A : Mathematical Physical, vol. 253, pp. 358–379, 1959 (doi: 10.1098/rspa.1959.0200).

[29] K. Youngworth, T. Brown, “Focusing of high numerical aperture cylindrical-vector beams”, Optics express, vol. 7,  pp. 77–87, 2000 (doi: 10.1364/oe.7.000077).

[30] M. M. Sartin, H. Su, X. Wang, B. Rena, “Tip-enhanced Raman spectroscopy for nanoscale probing of dynamic chemical systems”, The Journal of Chemical Physics, vol. 153, Article Number: 170901, 2020 (doi: 10.10­63/5.0027917).