Резонансна взаємодія електромагнітного випромінювання з періодично-неоднорідними плазмонними системами на поверхні твердих тіл

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ імені В. Є. ЛАШКАРЬОВА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Резонансна взаємодія електромагнітного випромінювання з періодично-неоднорідними плазмонними системами на поверхні твердих тіл

01.04.07 - фізика твердого тіла

Соснова МАРІЯ ВІКТОРІВНА

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Інституті фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова Національної академії наук України

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор

Дмитрук Микола Леонтійович,

Інститут фізики напівпровідників ім. В. Є. Лашкарьова Національної академії наук України,

завідувач відділу поляритонної оптоелектроніки

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор

Гречко Леонід Григорович,

Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України,

завідувач відділу теорії наноструктурних систем

доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Довбешко Галина Іванівна,

Інститут фізики Національної академії наук України,

провідний науковий співробітник

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом розвиток нанотехнологій і потреба вирішення глобальних проблем суспільства сприяли формуванню нових перспективних напрямків сучасної фізики твердого тіла, зокрема плазмоніки, яка вивчає взаємодію електромагнітного випромінювання із плазмою вільних електронів біля поверхні провідних твердих макротіл або в наночастинках. В основі плазмоніки лежать явища резонансного збудження поверхневих плазмонних поляритонів, тобто електромагнітних хвиль, що поширюються вздовж поверхні (інтерфейсу) поверхнево-активного середовища (метал або сильнолегований напівпровідник), і локальних (поверхневих) плазмонів у просторово-обмежених системах (наноточках і нанодротах).

Підвищений інтерес до поверхневих електромагнітних хвиль обумовлений такими їхніми властивостями, як: 1) сильна просторова локалізація в тонкій приграничній області між провідним та діелектричним середовищами, товщина якої значно менша за величину класичного дифракційного обмеження в оптиці л/3n (л -довжина хвилі, n - показник заломлення); 2) розповсюдження на значні відстані (у тому числі макроскопічні) уздовж поверхні (межі поділу); 3) висока чутливість до діелектричних параметрів навколишнього середовища, що покладено в основу практичних застосувань поверхневого плазмонного резонансу в сенсориці; 4) чутливість до структурних властивостей межі поділу й різноманітних поверхневих неоднорідностей (дефектів) та можливість впливати на інші фізичні явища, наприклад, розсіяння світла адсорбованими на поверхні частинками, генерацію другої гармоніки при відбиванні лазерного випромінювання від металу, модифікацію спектрів поглинання та пропускання світла нанотекстурованими поверхнями, швидкість протікання фотохімічних реакцій та ін. Такі унікальні властивості поверхневих електромагнітних хвиль мають широкі перспективи практичного застосування і потребують розвитку як теоретичного підґрунтя для опису процесів, що протікають у плазмонних системах (ПС) при резонансній взаємодії з електромагнітним випромінюванням, так і експериментальних методів для вивчення їхніх властивостей.

Незважаючи на інтенсивний розвиток плазмоніки, на сьогодні можна виділити ряд відкритих питань, що стосуються властивостей ПС, утворених завдяки різним типам періодичної модуляції діелектричної проникності, у яких можливе одночасне збудження власних електромагнітних мод (ВЕМ) різної природи. Процеси перерозподілу енергії ВЕМ в умовах їхньої резонансної взаємодії суттєво впливають на функціональні властивості ПС, що має як фундаментальний, так і практичний інтерес.

У дисертаційній роботі проведено експериментальне й теоретичне дослідження планарних періодично-неоднорідних плазмонних систем, які забезпечують умови збудження поверхневих і хвилеводних плазмон-поляритонних мод. Необхідність знання механізмів, що визначають ефективність резонансного збудження та взаємодії різних типів ВЕМ у таких системах, визначає актуальність обраної теми дисертації і є важливою для з'ясування загальних закономірностей модифікації оптичних та фотоелектричних властивостей періодично-неоднорідних плазмонних систем залежно від умов взаємодії електромагнітного випромінювання з поверхнею системи, її геометричних параметрів і структурних перетворень, що виникають внаслідок термообробки.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає основному напрямку наукової діяльності Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України та виконана в рамках таких тем:

– Розробка нових принципів, методів і засобів одержання, дослідження і характеризації напівпровідникових матеріалів і структур, створення елементної бази перспективної напівпровідникової техніки, в т. ч. на основі нових фізичних явищ (2006-2008 рр., Постанова Бюро ВФА НАНУ від 20.12.2005 р. № 10, № держ. реєстрації 0106U000657).

– «Фізичні та фізико-технологічні аспекти створення і характеризації напівпровідникових матеріалів і функціональних структур сучасної електроніки» (2007-2011 рр., Постанова Бюро ВФА НАН України від 19.12.2006 р. № 10, № держ. реєстрації 0107U002258).

– «Розроблення і створення технологій вирощування багатошарових дифракційних ґраток для оптохімічних сенсорів» у рамках Державної науково-технічної програми розроблення і створення сенсорних наукоємних продуктів (2008-2012 рр., Постанова Кабінету Міністрів України від 05.12.2007 р. № 1395, № держ. реєстрації 0108U004431).

– GP/F13/0159 Дослідження локальних збуджень та поверхневих поляритонів в наноструктурах (2007 р., Договір Ф 13/33-2007 від 15.02.2007 р. між Міннауки та ІФН НАН України, № держ. реєстрації 0107U006850).

Мета дисертаційної роботи - вивчити особливості взаємодії електромагнітного випромінювання з періодично-неоднорідними плазмонними системами на поверхні твердих тіл у режимі збудження власних електромагнітних мод і перерозподілу енергії між різними типами мод при їх резонансній взаємодії залежно від морфологічних, структурних та оптичних властивостей плазмонної системи з метою практичного застосування в поляритонній оптоелектроніці і сенсориці.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

– Розробити технологію формування одновимірних (1D) та двовимірних (2D) періодичних масивів металевих дротів та точок на діелектричних і напівпровідникових підкладках із заданими геометричними параметрами на основі методу інтерференційної літографії.

– Розробити методику комплексної характеризації структурних, оптичних та фотоелектричних властивостей періодично-неоднорідних плазмонних систем.

– Встановити умови та механізми взаємодії між різними типами ВЕМ у періодично-неоднорідних плазмонних системах і довести, що така взаємодія є суттєвим фактором впливу на їхні оптичні властивості.

– Встановити фактори, що визначають зміни оптичних властивостей 1D і 2D періодичних систем металевих нанодротів і наноточок на поверхні твердого тіла.

– Дослідити залежність резонансних умов збудження ВЕМ у плазмонних системах від діелектричних властивостей навколишнього середовища і геометричних параметрів самої системи.

Об'єкт дослідження - процес взаємодії електромагнітного випромінювання з поверхнею твердого тіла в режимі резонансного збудження поверхневих плазмонних поляритонів і локальних (поверхневих) плазмонів, а також їх взаємодія між собою.

Предмет дослідження - плазмонні системи метал/напівпровідник із поверхнево-бар'єрною структурою типу діода Шоткі (металева плівка на поверхні рельєфно-фазової дифракційної ґратки) та системи метал/діелектрик (масиви металевих нанодротів або наноточок на склі) з періодичною модуляцією діелектричної проникності в одному або двох виділених напрямках, які сформовані способами інтерференційної літографії та вакуумного термічного напилення.

Для розв'язання поставлених у дисертаційній роботі задач застосовано такі теоретичні й експериментальні методи дослідження: метод перетворення криволінійних координат та модальний Фур'є-метод для моделювання оптичних властивостей плазмонної системи залежно від її геометричних параметрів; спектроскопія пропускання та відбивання s- та p-поляризованого світла, вимірювання фотоструму короткого замикання бар'єрів Шоткі для визначення оптичних і фотоелектричних властивостей системи в режимі резонансної взаємодії світла з періодично-профільованою поверхнею ПС; атомно-силова мікроскопія (АСМ) та скануюча електронна мікроскопія для кількісної характеризації геометрично-статистичних параметрів мікрорельєфу поверхні; спектральна і багатокутова монохроматична еліпсометрія для контролю товщини й оптичних параметрів тонких плівок.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі застосовано комплексний теоретичний та експериментальний підхід до вивчення періодично-неоднорідних плазмонних систем, що дозволило одержати такі нові наукові результати:

Виявлено роль локальних плазмонів (ЛП) у резонансній взаємодії електромагнітного випромінювання з періодичною системою нанодротів; показано, що електродинамічна взаємодія поверхневих плазмонних поляритонів (ППП) та ЛП в одновимірній ґратці проявляється у розщепленні піків екстинкції та встановлено, що сила такої резонансної взаємодії визначається фактором заповнення металом ефективного плазмон-несучого поверхневого шару.

З'ясовано умови збудження змішаних поверхнево-плазмонних хвилеводних мод у періодичній системі нанодротів на підкладці при її модифікації введенням додаткового діелектричного шару між масивом металевих дротів і скляною підкладкою.

Показано, що низькотемпературний відпал періодичної системи золотих нанодротів і точок на діелектричних підкладках є ефективним способом керування їхніми резонансними властивостями за рахунок зміни морфології ПС і, таким чином, зміни характеру (інтенсивності) взаємодії між різними типами ВЕМ у системі. Встановлено, що при температурах відпалу, суттєво нижчих за температуру плавлення, нанодріт розпадається на періодичну систему наноточок із середнім діаметром, що визначається його початковими розмірами.

Отримано формули для розрахунку зсуву спектрального та кутового положення резонансного піка в умовах збудження ППП у ПС із планарною періодичністю при введенні в систему додаткового селективного шару скінченної товщини і з урахуванням загасання в плазмон-несучому шарі.

Визначено залежність спектрального положення ЛП-резонансу в 1D періодичній системі золотих нанодротів на підкладці від діелектричних параметрів навколишнього середовища і форми перерізу окремого нанодроту; розрахунки підтверджено експериментом для трапецоїдної форми перерізу.

Експериментально підтверджено ефект плазмонного підсилення пропускання світла крізь тонку плазмон-несучу плівку з антикорельованими рельєфами її поверхонь.

Практична цінність одержаних результатів:

1. Розроблено технологію формування періодичних масивів металевих (Au) нанодротів і наноточок на діелектричних (скло) та напівпровідникових (GaAs) підкладках на основі методу інтерференційної літографії; продемонстровано, що подальша термообробка системи нанодротів призводить до їх структурного перетворення на систему ланцюгів наночастинок прогнозованого розміру; відпрацьовано технологію отримання плазмонних систем з антикорельованим рельєфом на поверхні твердих тіл.

2. Запропоновано конструкцію поляритонного фотодетектора, резонансно-чутливого до кута падіння електромагнітного випромінювання, для визначення малих концентрацій етанолу в газових сумішах.

3. Продемонстровано можливість створення оптохімічних сенсорів на основі явища збудження ЛП у періодичних системах металевих нанодротів на поверхні твердих тіл для детектування малих змін показника заломлення газових або рідинних середовищ.

4. Запропоновано шляхи оптимізації параметрів періодично-неоднорідної плазмонної системи для ефективного перетворення світла в енергію ВЕМ, що може знайти практичне використання при конструюванні оптохімічних сенсорів і поляритонних фотодетекторів.

Особистий внесок здобувача. Постановка задач і вибір об'єктів дослідження здійснювалися разом із науковим керівником. Дисертантка брала участь у підготовці зразків, плануванні та проведенні експерименту [2-4, 7-11, 14-16], чисельно-аналітичних розрахунків [3-8] і моделюванні оптичних властивостей досліджуваних об'єктів. Підбір і систематизацію літературних джерел, аналіз та обробку отриманих результатів здійснено особисто здобувачем. Інтерпретація результатів, обговорення та написання публікацій [1-16] проведені в творчій співпраці зі співавторами відповідних наукових робіт.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи були представлені на міжнародних та вітчизняних наукових конференціях: ІІ Українська наукова конференція з фізики напівпровідників УНКФН - 2 (Чернівці, Україна, 2004); 5^th and 7^th International Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems, (ASDAM'04 та ASDAM'08, Smolenice, Slovakia, 2004 та 2008); 20^th European Photovoltaic Solar Energy Conference (Barcelona, Spain, 2005); 2^th International Conference on Physics of Laser Crystals (Yalta, Crimea, 2005); 25^th International Conference on Microelectronics (MIEL'06, Belgrade, Serbia and Montenegro, 2006); Міжнародна конференція «Фізика і технологія тонких плівок та наносистем» МКФТТПН-ХІІ (Івано-Франківськ, Україна, 2009); ІІІ Міжнародна науково-практична конференція "Сенсорна електроніка та мікросистемні технології" (СЕМСТ - 3, Одеса, Україна, 2008); 2^nd International Conference on Metamaterials, Photonic crystals and Plasmonics (META'10, Cairo, Egypt, 2010).

Публікації. У дисертації узагальнено наукові результати, опубліковані в 16 роботах, у тому числі 6 робіт - у реферованих фахових журналах [2-7], 4 - у матеріалах міжнародних конференцій [8-11], 4 - у тезах міжнародних конференцій [12-15], огляд в «Encyclopedia of Sensors» (Нью-Йорк, 2006) [1] і патент на корисну модель (Україна) [16].

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків і списку використаних джерел (136 найменувань). Загальний обсяг дисертації - 156 сторінок, основного тексту - 141 сторінка, що містить 56 рисунків, 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначено об'єкт, предмет і методи дослідження, сформульовано мету й задачі роботи, викладено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі проведено аналіз сучасного стану плазмоніки як окремої галузі фізики твердого тіла з точки зору фундаментального інтересу та практичного застосування. Сформульовано основні поняття (поверхневих плазмонних поляритонів, локальних плазмонів, хвилеводних мод), описано досягнуті результати та визначено пріоритетні напрямки розвитку. Продемонстровано, що збудження поверхневих (неоднорідних) хвиль на межі поділу діелектрик/поверхнево-активний шар вимагає реалізації закону збереження енергії (частотного збігу) і закону збереження імпульсу (фазового синхронізму). Їх виконання забезпечують макроструктури із просторово-періодичною неоднорідністю на поверхні, у яких імпульс збудження змінюється на величину вектора оберненої ґратки для періодичної неоднорідності, та наночастинки, в яких імпульс збудження стає невизначеним на основі співвідношення невизначеності «координата-імпульс» .

Для випадку періодичного рельєфу закон збереження імпульсу має вигляд [1*]:

, (1)

де - хвильовий вектор ППП; - хвильовий вектор падаючої електромагнітної хвилі; ц - кут падіння; Л - період структури; m = 0,1,2… - порядок дифракції. Саме тому з метою дослідження резонансних властивостей ВЕМ було обрано періодично-неоднорідні ПС, у яких існує періодична модуляція діелектричної проникності в одному чи двох виділених напрямках.

Частотне положення ЛП-резонансу, що збуджується на окремому елементі системи (дроти, точки) можна оцінити з умови збудження поверхневої моди Фрьоліха:

, (2)

тут , - діелектрична проникність плазмон-несучого матеріалу і навколишнього середовища, відповідно.

Викладений матеріал є підґрунтям для подальшого аналізу та глибокого розуміння процесів, що відбуваються на поверхні таких систем в умовах одночасного збудження декількох типів ВЕМ. Оцінка на підставі виразів (1) та (2) показує, що резонансне збудження ППП та ЛП мод у видимому спектральному діапазоні можуть забезпечити ПС на основі шляхетних металів із періодом Л = 400ч1500 нм і шириною дротів d = 50ч200 нм. Це дозволило визначити технологію формування ПС, яка задовольняє вимоги до якості поверхневого рельєфу та забезпечує необхідну роздільну здатність.

В другому розділі описано технологію формування періодично-неоднорідних ПС типу рельєфно-фазової дифракційної ґратки (ДҐ) на поверхні напівпровідника з подальшою її металізацією і 1D та 2D масивів золотих нанодротів та наноточок на діелектричній підкладці. Крім того, в розділі детально розглянуто методи, які використовувалися в дисертаційній роботі для комплексного експериментального і теоретичного дослідження властивостей багатошарових структур на основі періодично-неоднорідних ПС.

Формування періодичної модуляції діелектричної проникності на поверхні твердого тіла здійснювалося методами фотохімічного інтерференційного травлення та інтерференційної літографії. Для формування періодичних 2D структур на поверхні підкладки проводилось дворазове експонування при взаємно перпендикулярній орієнтації підкладки відносно площини падіння когерентних лазерних променів, які утворюють інтерференційну картину на поверхні підкладки. При цьому доза опромінення для кожного експонування повинна бути зменшена в 1,5-2 рази, порівняно з випадком формування одновимірної структури з такою самою глибиною рельєфу.

Методика формування періодично-профільованої поверхні способом фотохімічного інтерференційного травлення ґрунтується на використанні явища фотохімічного травлення поверхні напівпровідників, коли зразок занурюється в кювету зі слабким розчином ізотропного травника таким чином, щоб інтерференційна картина синусоїдного розподілу інтенсивності проектувалася на його поверхню. Склад травника визначається матеріалом, на поверхні якого формують ДҐ. Для фототравлення поверхні монокристала GaAs (100) використовувався травник на основі сірчаної кислоти (40% H₂SO₄) та перекису водню (35% H₂O₂) у співвідношенні 1:1, розведених 50-100 частинами води. Метод інтерференційної літографії реалізується при травленні матеріалу через попередньо виготовлену на його поверхні хімічно-стійку до травника літографічну маску. Літографічна маска формувалася на основі халькогенідних фоторезистивних сполук (ХСН), наприклад, As₄₀S₂₀Se₄₀, As₄₀S₆₀ та As₄₀S₃₀Se₃₀ [2*], у яких під дією опромінювання відбуваються фотохімічні реакції, що супроводжуються структурними перетвореннями.

Удосконалення стандартної технології інтерференційної літографії дозволило отримати структури типу одновимірного масиву металевих нанодротів і двовимірного масиву наноточок на плоскій поверхні твердого тіла (основні технологічні етапи представлені на рис. 1) та принципово нові структури з антикорельованим рельєфом плазмон-несучого покриття (товщина плівки періодична функція координати). Основними перевагами використаної технології є можливість керування геометричними параметрами структури (період, глибина, форма профілю), отримання однорідної структури на достатньо великій площі (1 см²) в одному технологічному процесі та можливість застосування у масовому виробництві, що дозволяє суттєво здешевити процес.

Ефективність збудження ВЕМ у ПС визначається особливостями морфології поверхні (період, глибина, форма перерізу штриха, шорсткість поверхні) та оптичними властивостями окремих шарів системи. Тому комплексна характеризація багатошарових ПС є необхідним етапом вивчення їх резонансних властивостей та встановлення природи збуджених мод. Контроль структурних та оптичних властивостей багатошарових ПС із періодично-профільованою поверхнею проводився на всіх технологічних етапах її формування з використанням АСМ, еліпсометрії та спектроскопії відбивання/пропускання поляризованого випромінювання.

Визначені параметри профілю поверхні та реальні оптичні константи окремих шарів використовувалися в ході модельних розрахунків методом перетворення криволінійних координат (МПКК) [3*] для прогнозування оптичних властивостей ПС та оптимізації її геометричних і структурних параметрів. МПКК належить до групи методів диференціального формалізму, в якому векторні рівняння Максвела записуються у криволінійних неортогональних координатах, для яких граничні умови мають найпростіший вигляд (як для плоского інтерфейсу). При цьому розв'язок шукається у вигляді суперпозиції плоских хвиль, що аналітично визначені у декартових координатах. Метод дозволяє аналізувати проходження (або відбивання) світла як сумарний ефект за всіма дифракційними порядками, так і для окремих дифракційних порядків ДҐ. На відміну від інших методів МПКК дозволяє отримати аналітичний розв'язок для власних векторів і власних значень окремих ВЕМ. Результати моделювання МПКК продемонстрували задовільну точність узгодження із модальним Фур'є-методом та чисельним методом (FDFD -finite-difference frequency-domain).

У третьому розділі досліджено один із методів модифікації морфологічних і оптичних властивостей періодично-неоднорідних ПС із різним типом модуляції діелектричної проникності (одновимірна та двовимірна) з метою впливу на характер взаємодії між різними типами ВЕМ у системі шляхом низькотемпературних відпалів.

Комплексний аналіз результатів АСМ-вимірювання (рис. 2) та спектрів екстинкції (-ln(T)) у видимому діапазоні випромінювання (рис. 3) дозволив з'ясувати характер змін, що відбуваються в ПС при визначеній температурі відпалу. Відпали проводились в повітрі в інтервалі температур від 100 ^оС до 350 ^оС протягом 1 години. Температурний відпал до 150 ^оС лише несуттєво змінює геометричні параметри рельєфу золотого дроту, зменшуючи його шорсткість. При температурі 200 ^оС відбувається трансформація рельєфу, що зумовлено процесами рекристалізації. Подальший прогрів системи при температурі 250-350 ^оС супроводжується укрупненням частинок за рахунок процесів дифузії. У результаті дріт повністю трансформується в ланцюжок наноточок із формою, близькою до сфероїдної. Залежно від розмірності періодично-неоднорідної ПС і її геометричних параметрів було встановлено такі типи трансформації внаслідок відпалів: 1 - утворення окремих наноточок на поверхні дроту при збереженні його цілісності; 2 - перетворення нанодроту на систему наноточок; 3 - стабільність системи з незначною зміною геометричних параметрів.

Тип трансформації дроту визначає характер зміни оптичних властивостей ПС. Так, перший тип трансформації (рис. 2а,б) супроводжується зсувом максимуму екстинкції в короткохвильовий бік спектра, що свідчить про звуження і поступову зміну форми поперечного перерізу дроту, в якому збуджується ЛП-резонанс (рис. 3а). Про перетворення дроту на систему наночастинок (рис. 2в,г) свідчить різка зміна форми спектральних залежностей екстинкції, в яких утворюється чіткий максимум поблизу л = 570 нм внаслідок відпалу при температурі відпалу 250 ^оС, що відповідає збудженню ЛП в системі металевих наночастинок (рис. 3б). Відпал періодичної системи наноточок не призводить до трансформації рельєфу (рис. 2д,е) і, як наслідок, до суттєвої зміни її спектрів екстинкції (рис. 3в), що демонструють збудження ±1 порядків ППП.

Згідно з працею [4*] під впливом температурної обробки дріт з початковим радіусом розпадається на частинки сферичної форми із діаметром d = 3.78, унаслідок виникнення в системі так званої нестабільності Релея. Довжина хвилі збурення , що виникає в дроті за рахунок температурних флуктуацій густини, визначає відстань між частинками, яка залежить від початкового радіуса дроту і механізму масопереносу. Її величину можна оцінити із співвідношень: = 8.89 для поверхневої дифузії; = 9.02 - дифузії з поверхні в об'єм та = 12.96 - дифузії із об'єму на поверхню. Відпал при температурі 350 ^оС призводить до повної трансформації дроту (із шириною 360 нм та висотою 32 нм) у систему частинок сфероїдної форми із діаметром d =120 нм та середніми відстанями між ними = 280 нм та = 405 нм. Отримані експериментальні дані збігаються із теоретичною оцінкою довжини хвилі збурення нм для випадку поверхневої дифузії та нм для випадку дифузії з об'єму на поверхню, що свідчить про коректність застосування моделі [4*] до золотих дротів на скляній підкладці.

Отже, продемонстровано, що низькотемпературний відпал ПС можна використовувати як додатковий технологічний етап при створенні ланцюгів металевих наночастинок із керованими оптичними властивостями, що становить інтерес з точки зору оптимізації процесу резонансної взаємодії світла з поверхнею таких систем та передачі електромагнітної енергії вздовж окремого дроту.

У четвертому розділі для встановлення впливу резонансного збудження ЛП на проходження світла крізь ансамбль 1D металевих (Au) нанодротів із прямокутною формою поперечного перерізу на діелектричній підкладці (скло) були розраховані методом перетворення криволінійних координат спектральні та кутові залежності екстинкції p-поляризованого світла (вектор напруженості електричного поля перпендикулярний до твірної дроту) при фіксованому значенні періоду ґратки (Л =400 нм) та різних величинах фактора заповнення металом , що знаходився як відношення ширини дроту d до періоду ансамблю (рис. 4).

Умова збудження ППП на межах поділу метал/повітря та метал/скло в періодичній системі нанодротів залежить від періоду структури й описується рівнянням (1), відповідні дисперсійні криві для плоскої межі поділу (метал/повітря та метал/скло) для двох дифракційних порядків m = ±1 наведені на рис. 4а,б,в. З іншого боку, резонансна довжина хвилі, на якій збуджується ЛП-резонанс в окремому нанодроті, визначається формою та розмірами його поперечного перерізу (тобто фактора заповнення металом). Таким чином, зміною одного із параметрів системи (період або ширина дроту) досягається налаштування резонансного збудження ППП та ЛП мод на один і той же спектральний діапазон.

В періодичному масиві металевих нанодротів, крім ЛП-моди в окремому дроті, можливе збудження ППП-мод, що розповсюджуються перпендикулярно до дротів у випадку виникнення електродинамічної взаємодії між ними. Показано, що одночасне збудження двох типів мод (ЛП та ППП) в одному спектральному діапазоні призводить до їх взаємодії і, як наслідок, до підсилення ЛП-моди та розщеплення її дисперсії (рис. 4). Інтенсивність взаємодії мод залежить від фактора заповнення металом та оцінювалася за величиною підсилення ЛП-резонансу. Для ПС із геометричними параметрами: період 400 нм, ширина дроту 100 нм, f = 2/8; отримано підсилення ЛП-резонансу ППП-модою у 5 разів відносно величини поля в околі нанодроту при збудженні тільки ЛП-моди. При цьому ширина резонансного піка на половині його висоти зменшилась у 2 рази. Експериментальні дослідження масиву ланцюгів золотих наноточок на скляній підкладці з періодом 480 нм і шириною 388 нм підтверджують теоретично передбачену взаємодію ЛП і ППП мод.

На рис. 5 представлено розподіл інтенсивності електричного поля в околі перерізу нанодроту для випадків, що відповідають поступовій трансформації спектра екстинкції внаслідок взаємодії ЛП та ППП мод: 1 - збудження ЛП-моди в нанодроті; 2 - розщеплення внаслідок взаємодії; 3 - збудження ППП на межах поділу метал/повітря та метал/підкладка.

Крім того, показано, що впливати на оптичні властивості ПС можна введенням додаткового хвилеводного шару в періодичну систему золотих нанодротів на скляній підкладці, що призводить до модифікації спектрів відбивання/пропускання поляризованого випромінювання. Перебудова спектрів пояснюється взаємодією хвилеводних та ППП-мод, що збуджуються на різних інтерфейсах (повітря/Au, Au/ІТО) і є причиною збільшення розсіяння в періодично-неоднорідних ПС. Розширення резонансного піка, що свідчить про збільшення загасання ППП моди (внаслідок перетікання енергії у хвилеводний шар), необхідно враховувати при конструюванні сенсорних систем при визначенні оптимальних товщин селективних плівок.

У п'ятому розділі представлено результати дослідження впливу оптичних параметрів навколишнього середовища на резонансні характеристики ПС різного типу: на основі призми ослабленого повного відбиття (ОПВ), дифракційної ґратки (ДҐ) та періодичної системи металевих нанодротів на діелектричній підкладці.

Проведено порівняння ефективності збудження ППП в сенсорних системах на базі призми ОПВ і ДҐ й показано (рис. 6), що у випадку ДҐ максимальна чутливість досягається в області малих показників заломлення, в той час як для системи на основі призми ОПВ вища чутливість в області великих n_test. Отже, сенсорні елементи на базі ДҐ матимуть кращу чутливість для аналізу газових сумішей, де показник заломлення є близьким до одиниці, а для аналізу рідин і розчинів доцільніше використовувати сенсорні елементи на базі призми ОПВ. Крім того, сенсорний елемент на основі ДҐ має ширші можливості по оптимізації чутливості шляхом варіації геометричних параметрів ґратки (період і глибина штрихів, їх форма) у заданому спектральному діапазоні. плазмонний дріт оптичний фотоелектричний

Отримано формули для розрахунку спектральної та кутової чутливості поляритонних сенсорних елементів на основі призми ОПВ і рельєфно-фазової ДҐ до зміни показника заломлення навколишнього середовища та товщини селективно-чутливого шару з врахуванням поглинання в плазмон-несучому шарі. Так, для прикладу, кутовий зсув положення резонансу отримано із:

. (3)

ОПВ схема: ,

; (4)

ДҐ схема: ,

, (5)

де d та n_test - товщина та показник заломлення селективно-чутливого шару; л - довжина хвилі падаючого світла; - ефективний показник заломлення ППП, що показує, у скільки разів швидкість світла у вакуумі більша за швидкість поширення ППП та визначається з виразу .

Залежності кутової чутливості сенсора до зміни товщини селективно-чутливого шару сенсорних елементів на основі призми ОПВ та ДҐ представлені на рис. 7. Установлено, що для визначеної конфігурації сенсорного елементу існує оптимальна товщина цього шару, яка забезпечує максимальну чутливість системи. У випадку ДҐ оптимальна товщина селективного шару варіюється від 50 до 80 нм, залежно від періоду ґратки (див. рис. 7б).

У дисертації також описано розроблені сенсорні елементи для детектування газових і рідинних сумішей за показником заломлення на основі резонансного збудження ППП або ЛП-мод у ПС різного типу. Для сенсорного елемента на базі 1D масиву металевих нанодротів досліджено вплив форми поперечного перерізу дроту на його сенсорні властивості. Показано, що у випадку однакової площі поперечного перерізу (наприклад 2250 нм²) максимальна чутливість = 250 нм/RIU (refractive index unit) досягається для дротів із трикутною формою перерізу за рахунок більшого підсилення локального поля на ділянках з великою кривизною поверхні.

Представлено розробку плазмон-поляритонного фотодетектора, чутливого до низьких концентрацій речовини (наприклад парів етанолу) в газових сумішах на основі поверхнево-бар'єрної гетероструктури з ДҐ на межі поділу Au/GaAs, що суттєво спрощує конфігурацію приладу за рахунок об'єднання плазмон-збуджуючої структури (ДҐ) і чутливого елемента (фотоприймача). Компактність приладу, низька матеріалоємність на одиницю продукції (наприклад вміст золота) та принципова можливість серійного виготовлення засобами мікроелектронної промисловості дає змогу отримати низьку собівартість пристрою. Існує також можливість створення багатоканальної схеми вимірювання без введення додаткових реєструючих елементів. Для елемента на основі ДҐ із параметрами: період 750 нм, висота модуляції 55 нм, товщина плазмон-несучого покриття (Au) 30 нм, товщина селективно-чутливої плівки 51 нм, досягнуто роздільну здатність для показника заломлення Дn=3Ч10^-5.

Продемонстровано, що сенсорний елемент на основі ДҐ має значні перспективи збільшення чутливості при використанні плазмон-несучої плівки зі спеціальним антикорельованим рельєфом, коли товщина плівки є періодичною функцією координати. Такий рельєф дозволяє підвищити пропускання енергії в напівпровідникову підкладку за рахунок зв'язку між ППП, які збуджуються на двох інтерфейсах, що спричиняє резонансне перенесення електромагнітної енергії через тонку провідну плівку, а отже, і до збільшення пропускання. Установлено оптимальні параметри сенсорного елемента на основі бар'єрної гетероструктури Au/GaAs із плоскою межею поділу та близькою до антикорельованої формою рельєфу металевої плівки, що дозволяє отримати збільшення пропускання в напівпровідникову підкладку в 1.5 раза порівняно з оптимізованою структурою із синусоїдним рельєфом. Запропоновано технологію формування таких структур способом голографічної літографії.

основні результати та Висновки

У дисертаційній роботі досліджено особливості взаємодії поляризованого електромагнітного випромінювання з періодично-неоднорідними плазмонними системами типу рельєфно-фазової дифракційної ґратки на поверхні напівпровідника, одновимірної (двовимірної) системи золотих нанодротів (наноточок) на поверхні твердого тіла, модифікованих введенням додаткових хвилеводних шарів або шляхом низькотемпературної термообробки. Найважливіші результати полягають у наступному:

1. Встановлено умови резонансної взаємодії локальних плазмонів та поверхневих плазмонних поляритонів у періодичній системі нанодротів, яка призводить до підсилення поля в околі дроту. Виявлено розщеплення дисперсії локальних плазмонів, які збуджуються в окремих нанодротах, при взаємодії з модами поверхневих плазмонних поляритонів, що розповсюджуються вздовж поверхні підкладки перпендикулярно до металевих нанодротів.

2. Продемонстровано зв'язування поверхневих плазмонних поляритонів та хвилеводних мод у періодично-неоднорідній плазмонній системі 1D металевих нанодротів при введенні в систему додаткового хвилеводного шару. Показано, що змішування мод призводить до значної модифікації спектрів відбивання/пропускання зі зменшенням пропускання електромагнітної енергії у підкладку за рахунок локалізації поля в хвилеводному шарі.

3. Представлено ефективний спосіб керування резонансними властивостями періодичної системи металевих нанодротів на поверхні твердого тіла внаслідок низькотемпературної термообробки, яка призводить до трансформації дроту в періодичну систему ланцюгів наночастинок із формою, близькою до сферичної. Відстань між частинками та їх розміри визначаються початковими геометричними параметрами нанодроту і типом дифузії, що виникає в системі внаслідок нестабільності Релея. Встановлено, що стабільність золотого дроту (на діелектричній підкладці) порушується при температурі відпалу ? 250 ^оС внаслідок виникнення поверхневої дифузії та дифузії з об'єму на поверхню. Таким чином, температурна обробка може бути використана для формування систем ланцюгів металевих наночастинок із наперед заданими геометричними параметрами.

4. Отримано формули для розрахунку чутливості плазмонних сенсорних систем з урахуванням загасання в плазмон-несучому шарі та за наявності селективно-чутливого шару скінченної товщини. Показано, що оптимальна товщина селективно-чутливої плівки, при якій досягається максимум чутливості в сенсорних системах на основі дифракційної ґратки, становить 50 нм.

5. Розраховано чутливість локальних плазмонів у періодичній системі металевих нанодротів до зміни оптичних параметрів навколишнього середовища залежно від форми перерізу. Розрахунки підтверджено експериментально для випадку нанодротів із трапецоїдною формою перерізу. Показано, що максимальну чутливість (250 нм/RIU) демонструє система нанодротів із трикутною формою поперечного перерізу, порівняно із прямокутною та трапецоїдною (за умови однакової площі поперечного перерізу) за рахунок локального підсилення електромагнітного поля в ділянках із найбільшою кривизною поверхні дроту.

6. Запропоновано і запатентовано резонансно-чутливий до довжини хвилі, кута падіння та поляризації світла елемент поляритонного фотодетектора на основі поверхнево-бар'єрної гетероструктури Au/GaAs із періодично-профільованою межею поділу метал-напівпровідник та із селективно-чутливою до парів етанолу плівкою, в якому використовується один структурний елемент як для збудження поверхневого плазмонного резонансу, так і для його реєстрації, що дозволяє суттєво спростити механічну систему сканування (в разі її потреби). Чутливість системи для визначення показника заломлення становить Дn=3Ч10^-5.

7. Експериментально продемонстровано збільшення фотоструму короткого замикання бар'єра Шоткі Au/GaAs з антикорельованими рельєфами плівки плазмон-несучого покриття в умовах збудження поверхневих плазмонних поляритонів за рахунок підсилення пропускання світла крізь таку плівку в область просторового розділення нерівноважних електронно-діркових пар напівпровідника.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Polaritonic Sensors / N.L. Dmitruk, O.I. Mayeva, M.V. Sosnova: Encyclopedia of Sensors / [edited by C.A. Grimes et al]. - New-York: ASP, 2006. - Vol. 8. - C. 21-33.

Дмитрук М.Л. Оптохімічні сенсори на основі поверхневого плазмонного резонансу / М.Л. Дмитрук, О.І. Маєва, М.В. Соснова // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 2006. - № 41. - С. 29-45.

Characterization of nanoscaled films on flat and grating substrates as some elements of plasmonics / N.L.Dmitruk, O.I. Mayeva, A.V. Korovin, S.V. Mamykin, M.V. Sosnova, O.B. Yastrubchak // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2007. - Vol. 10. - Р. 62-71.

Оптичні властивості 1D наноструктур, отриманих методом голографічної літографії на плоских діелектричних та провідних підкладинках / М.Д. Дмитрук, О.І. Маєва, С.В. Мамикін, М.В. Соснова, В.І. Мінько, О.В. Коровін // Фізика і хімія твердого тіла. - 2007. - Т. 8, № 2. - С. 281-286.

Role of Local Plasmons in Interaction of Light with 1D Periodic Ensembles of Metallic Nanowires / N.L. Dmitruk, A.V. Korovin, O.I. Mayeva, M.V. Sosnova // Plasmonics. - 2009. -Vol. 4.- P. 193-200.

Порівняння ефективності збудження поверхневих плазмонних поляритонів методами рельєфно-фазової дифракційної гратки та призми ослабленого порушеного відбиття / М.Л. Дмитрук, О.В. Коровін, С.В. Мамикін, М.В. Соснова, Є.Ф. Венгер // Укр. фіз. журн. - 2009. - Т. 54, № 6. - C. 559-569.

Local plasmon excitations in one-dimensional array of metal nanowires for sensor applications / M.V. Sosnova, N.L. Dmitruk, A.V. Korovin, S.V. Mamykin, V.I.Mynko, O.S. Lytvyn // Applied Physics B: Lasers and Optics. - 2010. -Vol. 99. - P. 493-497.

Modeling and Elaboration of Polaritonic Photodetector on Base of Metallized Diffraction Grating / N.L. Dmitruk, V.I. Mynko, S.V. Mamykin, O.I. Mayeva, М.V. Sosnova: Proceedings [The 5^th International Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems], (Smolenice Castle, Slovakia, 17-21 October 2004). - Smolenice Castle, Slovakia, 2004. - P. 187-190.

Modeling and constituent design of SPR based and/or waveguide type sensors / N.L. Dmitruk, O.I. Mayeva, A.V. Korovin, М.V. Sosnova, O.S. Lytvyn, V.I. Min'ko: Proceedings [The 25^th International Conference on Microelectronics], (Belgrade, Serbia, 14-17 May, 2006). - Belgrade, Serbia, 2006. - P. 317-320.

Contribution of Surface Plasmon-Polariton and Surface Plasmons into Photocurrent of Schottky Diodes with Corrugated Interface / N.L. Dmitruk, S.V. Mamykin, A.V. Korovin, М.V. Sosnova: Proceedings [The 7^th International Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems], (Smolenice Castle, Slovakia, 12-16 October, 2008). - Smolenice Castle, Slovakia, 2008. - P. 99-102.

New surface plasmon polariton photodetectors based on diffraction gratings with anticorrelated relief / S.V. Mamykin, M.L. Dmitruk, M.V. Sosnova, A.V. Korovin, V.I. Mynko: Proceedings [International Conference on Metamaterials, Photonic crystals and Plasmonics], (Cairo, Egypt, 22-25 February, 2010). - Cairo, Egypt, 2010. - P. 557-560.

Дмитрук М.Л. Дослідження особливостей поляритонної взаємодії світла з напівпровідником / М.Л. Дмитрук, М.В. Соснова // УНКФН-2: ІІ Українська наукова конференція з фізики напівпровідників, Чернівці, 20-24 вересня 2004р.: тези допов. - Чернівці, Україна, 2004. - C. 211.

Metallized 2D-array on semiconductor surface as a basis of polaritonic nano-optoelectronics / N.L. Dmitruk, A.V. Korovin, O.I. Mayeva, М.V. Sosnova // ICPLC-2005: 2^nd International Conference on Physics of Laser Crystals, 25-30 September 2005.: abstracts - Big Yalta, Crimea, 2005. - NT24.

Система 1D металевих нанодротів як чутливий елемент оптохімічних сенсорів та фотодетекторів / М.Л. Дмитрук, О.В. Коровін, О.І. Маєва, С.В. Мамикін, М.В. Соснова, В.І. Мінько, Ю.В. Коломзаров // Сенсорна електроніка та мікросистемні технології: ІІІ Міжнарод науково-практична конф., 2-6 червня 2008р.: тези допов. - Україна, Одеса, 2008. - С. 289.

Вплив термічного відпалу на оптичні властивості плазмонних систем на основі масиву золотих нанодротів / М.Л. Дмитрук, О.В Коровін, С.В. Мамикін, М.В. Соснова, В.І. Мінько, О.С. Литвин // Фізика і технологія тонких плівок та наносистем: ХІІ Міжнарод. конф., 18-23 трав. 2009р.: тези допов. - Івано-Франківськ, 2009. - Т. 1. - С. 300-301.

Пат. 39869 Україна, МПК(2009) G01N21/55 Плазмон-поляритонний фото-детектор для визначення концентрації домішок етанолу в газових сумішах / М.Л. Дмитрук, О.І. Маєва, С.В. Мамикін, М.В. Соснова, В.І. Минько, З.І. Казанцева; заявник та патентовласник Ін-т фіз. напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. - заявл. 19.11.08; опубл. 10.03.09, Бюл.№ 5.

АНОТАЦІЯ

Соснова М.В. Резонансна взаємодія електромагнітного випромінювання з періодично-неоднорідними плазмонними системами на поверхні твердих тіл. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук зі спеціальності 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, 2010.

У дисертаційній роботі досліджено властивості плазмонних систем з різним типом періодичної модуляції діелектричної проникності в умовах резонансної взаємодії електромагнітного випромінювання з поверхнею, в результаті якого в системі можливе одночасне збудження власних електромагнітних мод різної природи.

Розроблено технологію формування періодичних масивів металевих нанодротів і наноточок на поверхні твердого тіла на основі методу інтерференційної літографії. Продемонстровано шляхи оптимізації оптичних властивостей періодичної системи дротів під впливом низькотемпературної термообробки з утворенням ланцюгів металевих наночастинок із заданими геометричними параметрами для ефективної передачі електромагнітної енергії вздовж плазмонної хвилеводної системи. Виявлено взаємодію мод різного типу, що збуджуються в періодичній системі металевих нанодротів; показано, що на інтенсивність взаємодії локальних плазмонів та поверхневих плазмонних поляритонів впливає фактор заповненням металом. Визначено оптимальні геометричні параметри сенсорної системи на основі призми ослабленого внутрішнього відбивання, дифракційної ґратки і системи нанодротів для отримання максимальної чутливості системи до зміни параметрів навколишнього середовища. Розроблено конструкцію оптохімічного сенсора для визначення малих концентрацій домішок у рідинних і газових середовищах. Продемонстровано можливість збільшення чутливості ППР-сенсорної системи за рахунок формування антикорельованих рельєфів плазмон-несучої плівки.

Ключові слова: плазмонна система, періодично-профільована поверхня, металеві нанодроти, наноточки, поверхневий плазмонний поляритон, локальний плазмон.

Соснова М.В. Резонансное взаимодействие электромагнитного излучения с периодически-неоднородными плазмонными системами на поверхности твердых тел. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины, Киев, 2010.

В диссертационной работе исследованы свойства плазмонных систем с разными типами периодической модуляции диэлектрической проницаемости в условиях резонансного взаимодействия электромагнитного излучения с поверхностью, в результате которого в системе возможно одновременное возбуждение собственных электромагнитных мод разной природы.

Разработана методика формирования периодически-неоднородных плазмонных систем типа рельефно-фазовой дифракционной решетки на поверхности полупроводника и периодического массива золотых нанопроволок (наноточек) на поверхности твердого тела методами интерференционной литографии.

Показано, что низкотемпературная термообработка может быть использована на этапе формирования системы цепочек металлических наночастиц с заданными геометрическими параметрами для эффективного связывания и передачи электромагнитного излучения в плазмонном волноводе. Расстояние между частицами и их геометрические параметры определяются начальными размерами проволоки и типом диффузии, что возникает в системе вследствие нестабильности Релея. В ходе исследования установлено, что стабильность золотой нанопроволоки нарушается при температуре отжига 250 ^оС в ходе протекания поверхностной диффузии и диффузии из объема на поверхность.

Продемонстрировано связывание поверхностных плазмонных поляритонов и волноводных мод в одномерных периодически-неоднородных плазмонных системах при их модификации дополнительными волноводными слоями (ITO, SiO₂). Показано, что взаимодействие мод приводит к значительной трансформации спектров отражения/пропускания р-поляризованной световой волны. Также теоретически и экспериментально продемонстрировано взаимодействие мод поверхностных плазмонных поляритонов и локальных плазмонов, которое приводит к расщеплению спектров экстинкции локальных плазмонов, в зависимости от фактора заполнения металлом.

Получены формулы для расчета чувствительности плазмонных систем на основе призмы нарушенного полного внутреннего отражения и дифракционной решетки с учетом затухания в плазмон-несущей пленке и наличия селективного слоя конечной толщины. Определена оптимальная толщина селективного слоя ( 50 нм), при которой достигается максимальная чувствительность сенсорного элемента к изменению его свойств в результате абсорбции аналита.

Исследовано влияние условий возбуждения локальных плазмонов в одномерной периодической системе золотых проволок в зависимости от изменения показателя преломления окружающей среды и формы сечения проволоки. Показано, что максимальная чувствительность наблюдается в случае системы с треугольным профилем рельефа. Расчеты были подтверждены экспериментально для случая нанопроволок с трапециевидной формой поперечного сечения.

Предложена конструкция селективно-чувствительного сенсорного элемента для определения малых концентраций этанола в газовой среде на основе поверхностно-барьерной гетероструктуры с периодически-профилированной границей раздела металл/полупроводник. Использование одного и того же структурного элемента для возбуждения поверхностных плазмонных поляритонов и регистрации отклика позволяет существенно упростить механическую систему сканирования. Продемонстрировано возможность увеличения чувствительности ППР-сенсорной системы за счет формирования антикоррелированных рельефов плазмон-несущей пленки.

Ключевые слова: плазмонная система, периодически-профилированная поверхность, нанопроволоки, наноточки, поверхностный плазмонный поляритон, поверхностный плазмон.

Sosnova M.V. Resonance interaction of electromagnetic radiation with periodical- nonuniform plasmonic systems on the solids surface. - Manuscript.

Dissertation for the Ph.D. degree by speciality 01.04.07 - solid state physics. - V. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2010.

The thesis is devoted to the investigation of properties of plasmonic systems with different types of periodical modulation of permittivity in the conditions of resonant interaction of electromagnetic radiation with solid state surface. The properties of plasmonic systems with different types of periodical modulation of permittivity in the regime of resonant interaction of electromagnetic radiation with solid state surface have been studied. Such interactions lead to the resonant excitation of different types of eigen electromagnetic modes in the system (surface plasmon polaritons, local plasmons, and waveguide waves).

The technology based on principles of holographic lithography has been elaborated for plasmonic systems formation. The transformation character of metal nanowires periodical system annealed isothermally was established. The possibility of formation of metal nanoparticles chain system with predicted parameters for effective transmission of electromagnetic energy was demonstrated. The interaction of different modes exciting in 1D array of metal nanowires was established. The influence of metal filling fraction on local plasmon and surface plasmon polariton modes excitation has been demonstrated. The optimal parameters of optochemical sensory systems based on attenuated total reflectance (ATR) scheme, diffraction gratings (DG) and 1D array metal nanowires were established for obtaining of maximal sensitivity. The design of optochemical sensor for detection of small concentration of impurity in gas environment or liquid has been elaborated. The enhancement of sensitivity of SPR-sensory system due to formation of anticorrelated reliefs of plasmon-carrying films was demonstrated experimentally.