Estudio experimental de sustratos SERS basados en nanoantenas de silicio para la interacción Raman mejorada de materiales 2D y monocapas de moléculas autoensambladas

Abstract

[ES] La nanofotónica resonante totalmente dieléctrica basada en resonancias de tipo Mie dipolares y multipolares ha surgido recientemente como un nuevo campo de investigación para el diseño de metadispositivos en la nanoescala. Nuevos tipos de sustratos no plasmónicos que pueden presentar dispersión Raman mejorada de superficie (SERS) son de particular interés para el estudio de las interacciones luz-materia de nuevos nanomateriales como los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) gracias a su capacidad para producir puntos calientes localizados con menor absorción y efectos térmicos que en sus equivalentes plasmónicos. A continuación, presentamos un estudio teórico y experimental de diferentes diseños de sustratos SERS basados en nano resonadores de silicio con forma de disco. Su eficiencia y funcionamiento se prueban mediante la integración con TMD y monocapas autoensambladas (SAM) de moléculas químicamente compatibles con las nanoestructuras de silicio. En primer lugar, se estudia la mejora de la señal de dispersión Raman depositando mediante recubrimiento por rotación (Sping Coating), monocapas y copos finos de MoS2 exfoliado químicamente sobre dos tipos de superficies dieléctricas nanopatronadas: 1-nanodiscos simples de silicio y 2-dímeros de discos de silicio con diferente separación entre ellos (gaps). Observamos factores de mejora de la dispersión Raman comparables a los reportados para TMD monocapa (exfoliados por vía seca) acoplados a nanoantenas dieléctricas. Se observan efectos adicionales en la dependencia de la polarización Raman y en la mejora de la señal de dispersión en el mismo tipo de nanoestructuras de silicio, funcionalizadas en este caso con aminopropiltrietoxisilano (APTES).

[EN] All-dielectric resonant nanophotonics based on dipolar and multipolar Mie-type resonances have recently emerged as a new research field for the design of nanoscale metadevices. New types of Surface Enhance Raman Scattering (SERS) non-plasmonic substrates are of particular interest for the study of light-matter interactions of novel nanomaterials such as transition metal dichalcogenides (TMDs) thanks to their ability to produce localized hot spots with lower absorption and thermal effects than in their plasmonic counterparts. Here, we present a theoretical and experimental study of different designs of SERS substrates based on silicon-disk nano resonators. Their efficiency and operation are tested by the integration with TMDs and self-assembled monolayers (SAMs) of molecules chemically compatible with the Silicon nanostructures. First, the Raman scattering signal enhancement is studied by depositing by spin coating, mono and few layers of chemically exfoliated MoS2 onto two types of dielectric nanopatterned surfaces: 1- Silicon single nanodisks and 2- Silicon dimers with different gaps. We observe Raman enhancement factors comparable to those reported for dry exfoliated monolayer TMDs coupled to dielectric nano-antennas. Further effects are observed in the Raman polarization dependence and in the scattering signal enhancement of the same type of Silicon nanostructures now functionalized with aminopropyltriethoxysilane (APTES).