О ПРЕДЕЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФОТОСЕНСИБИЛИЗИРУЕМЫХ  ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ НА ОСНОВЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАЗМОННОГО РЕЗОНАНСА  НА ПЛЕНКАХ ЙОДИДА СЕРЕБРА

A.V. Kraiski; A.A. Kraiski; V.V. Savransky; M.A. Kononov

doi:10.6060/rcj.2021654.7

A.V. Kraiski Физический институт им.П.Н. Лебедева РАН
A.A. Kraiski Независимый исследователь
V.V. Savransky Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН
M.A. Kononov Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

DOI: https://doi.org/10.6060/rcj.2021654.7

Ключевые слова: оптическая сенсибилизация, молекулярно-кинетическая теория, иодид серебра, диффузия, тяжелая молекула, следовые количества, воздух

Аннотация

В работе на основе молекулярно-кинетической теории проведен анализ опубликовнной ранее работы (С.В. Виноградов, М.А. Кононов, В.В. Савранский, и др. Квантовая электроника, 2003. Т. 33. №8. С. 711–713) о влиянии поверхностной оптической сенсибилизации на величину резонансного угла поверхностного плазмонного резонанса сенсора. В ней было показано, что следовые концентрации молекул сенсибилизатора Арсеназо 3 в воздухе при освещении лазером с длиной волны 543,7 нм исследуемой с помощью поверхностного плазмонного резонанса трехслойной поверхности, верхний слой которой состоит из нанокристаллов йодидов серебра, вызывают на поверхности этих нанокристаллов выделение кластеров металлического серебра, занимающие около 15% площади нанокристалла, содержащие по оценкам настоящей работы около 104 атомов серебра при адсорбции на этом нанокристалле одной молекулы красителя, что приводит к изменению резонансного угла. На основе проведенного анализа объяснен линейный по времени проведения эксперимента на начальном этапе рост отклонения резонансного угла и оценено, что вблизи поверхности сенсора концентрация, вызывающая такое почернение 10% общего количества нанокристаллов, составляет от 4∙10⁵ см^–3 за 1 с до 4∙10³ см^–3 за 100 с, что относится к лучшим опубликованным достижениям, и конкурирует с обонянием живых организмов. Приводится краткий обзор методов и результатов, полученных для следовых концентраций веществ порядка единиц ppt.

Литература

Obonyanie, Bol'shaya Sovetskaya enciklopediya : v 30 t. T. 18. Nikko - Obolon'/ gl. red. A.M,Prohorov. 3-e izd. M. : Bol'shaya Sov. encikl. 1974. (in Russian).

Fedorov Yu.A. Indikaciya narkoticheskih veshchestv. Special'naya tekhnika. 2001. N 5. P. 44–48. (in Russian).

Chernyshov M.V. Himiko-analiticheskie metody i sredstva obnaruzheniya vzryvchatyh veshchestv dlya aviacionnogo transporta. Voprosy oboronnoj tekhniki. Seriya 16: Tekhnicheskie sredstva protivodejstviya terror-izmu. 2011. N 7–8. P. 17–30. (in Russian).

Stojkova E.E., Porfir'eva A.V., Evtyugin G.A. Analiz sledovyh kolichestv veshchestv. Kazan', Kazanskij (Privolzhskij) federal'nyj universitet im.V.I. Ul'yanova-Lenina, 2010. 72 p. (in Russian).

Zorov N.B., Popov A.M., Zaytsev S.M., Labutin T.A. Qual-itative and quantitative analysis of environmental samples by laser-induced breakdown spectrometry. Russ. Chem. rev. 2015. V. 84 (10). P. 1021–1050. DOI: 10.1070/RCR4538.

Raza N., Hashemi B., Kim K.-H., Lee S.-H., Deep A. Aromatic hydrocarbons in air, water, and soil: Sampling and pretreatment techniques. TrAC Trends in Analytical Chemist. 2018. V. 103. P. 56–73. DOI: 10.1016/j.trac.2018.03.012.

Brahim S. Colbern S., Gump R., Grigorian L. Tailoring gas sensing properties of carbon nanotubes. Journal of Applied Physics. 2008. V. 104. P. 024502. DOI: 10.1063/1.2956395.

Roberts J.M., Veres P., Warneke C., Neuman J.A., Wash-enfelder A., Brown S.S., Baasandorj M., Burkholder J.B., Burling I.R., Johnson T.J., Yokelson R.J., de Gouw J. Measurement of HONO, HNCO, and other inorganic acids by negativeion proton-transfer chemicalionization mass spectrometry (NI-PT-CIMS): application to biomass burning emissions. Atmos. Meas. Tech. 2010. V. 3. P. 981–990.

Bishop C., Halfaya Y., Soltani A., Sundaram S., Li X., Streque J., Ougazzaden A. Experimental Study and De-vice Design of NO, NO2, and NH3 Gas Detection for a Wide Dynamic and Large Temperature Range Using Pt/AlGaN/GaN HEMT. IEEE Sensors Journal. 2016. V. 16(18). P. 6828–6838. DOI: 10.1109/jsen.2016.2593050 12_5_bishop2016_IEEE_Sens_J_N_gas.

Chen G., Paronyan T.M., Harutyunyan A.R. Subppt gas detection with pristine graphene. Applied Physics Letters. 2012. V. 101(5). P. 053119. DOI: 10.1063/1.4742327.

Kim J., Choi S.-W., Lee J.-H., Chung Y., Byun Y.T. Gas sensing properties of defectinduced single-walled carbon nanotubes. Sensors and Actuators B: Chemical. 2016. V. 228. P. 688–692. DOI: 10.1016/j.snb.2016.01.094.

Van Quang V., Van Dung N., Sy Trong N., Duc Hoa N., Van Duy N., Van Hieu N. Outstanding gassensing per-formance of graphene/SnO2 nanowire Schottky junctions. Applied Physics Letters. 2014. V. 105(1). P. 013107. DOI: 10.1063/1.4887486.

Minh Nguyet Q.T., Van Duy N., Phuong N.T., Trung N.N., Hung C.M., Hoa N.D., Van Hieu N. Superior enhance-ment of NO2 gas response using n - p - n transition of carbon nanotubes/SnO2 nanowires heterojunctions. Sen-sors and Actuators B: Chemical. 2017. V. 238. P. 1120–1127. DOI: 10.1016/j.snb.2016.07.143.

Minh Nguyet Q.T, Van Duy N., Hung C.M., Hoa N.D., Van Hieu N. Ultrasensitive NO2 gas sensors using hybrid heterojunctions of multi-walled carbon nanotubes and on-chip grown SnO2 nanowires. Appl. Phys. Lett. 2018. V. 112. P. 153110. DOI: 10.1063/1.5023851.

Mosier-Boss P.A. Review of SERS Substrates for Chemical Sensing. Nanomaterials. 2017. V. 7(6). P. 142. DOI: 10.3390/nano7060142.

Herrera G.M., Padilla A.C., Hernandez-Rivera S.P. Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) Studies of Gold and Silver Nanoparticles Prepared by Laser Ablation. Nanomaterials. 2013. V. 3. P. 158–172. DOI: 10.3390/nano3010158.

Yang S., Dai X., Stogin B.B., Wong T.-S. Ultrasensitive surface-enhanced Raman scattering detection in common fluids. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2015. V. 113(2). P. 268–273. DOI: 10.1073/pnas.1518980113.

Vinogradov S.V., Kononov M.A., Savranskij V.V., Valyanskij S.I., Urbajtis M.F. Vliyanie opticheskoj sensibilizacii na poverhnostnyj plazmonnyj rezonans. Kvantovaya elektronika. 2003. V. 33. №8. S. 711–713. (in Rus-sian).

Shapiro B.I. Teoreticheskie nachala fotograficheskogo processa, M.; Editorial URSS. 2000. 288. S. 35–36. (in Russian)

Kejz K., Cvejfel' P. Linejnaya teoriya perenosa. Moskva, «Mir». 1972. (in Russian).

Popov P.V. Diffuziya.: uchebno-metodicheskoe posobie po kursu Obshchaya fizika Moskva: MFTI, 2016. 94 s. (in Russian).