Ученые ИТМО упростили процесс анодирования тонких пленок для диагностики аллергических заболеваний

Анодирование — метод создания тонкой пленки анодного оксида алюминия на поверхности оптического элемента. Такая пленка дает разные преимущества над диэлектрическими пленками, используемыми сейчас в оптике. Благодаря остаточному слою алюминия под пленкой оксида увеличивается спектральный диапазон, в котором могут применяться оптические элементы — от ультрафиолетового до инфракрасного. Это свойство полезно для создания светоделительных пластин, расщепляющих световой пучок в лазерных системах, спектральных приборах и интерферометрах.

Также поверхность оптического элемента защищается от царапин, а в порах и на поверхности оксида усиливается свечение разных объектов. Свечение может пригодиться для диагностики аллергий. Повышенный уровень иммуноглобулинов в крови показывает, что у человека есть аллергия. Если научить подложки алюминия захватывать иммуноглобулины, по изменившейся яркости свечения можно диагностировать заболевание.

Обычно чтобы получить пленку анодного оксида алюминия, ученые используют фольгу. С ее помощью получаются регулярные пленки с минимальным количеством дефектов, но на работу с ней исследователи тратят много времени и сил. Фольгу очищают, полируют в растворе с помощью электричества и прокаливают при 600 градусах, чтобы убрать неоднородности и напряжения в металле. После подготовки фольгу погружают в электролит вместе с другим электродом и подают напряжение. Процесс анодирования занимает семь часов, и в результате на подложке вырастает тонкая пленка анодного оксида алюминия. Перенести оксидную пленку на стеклянную подложку — тоже нетривиальная задача.

По словам первого автора статьи, инженера-исследователя международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО Игоря Никитина, существует другой метод анодирования, который исключает сложные манипуляции с фольгой — напыление тонкой пленки на подложку в вакуумной камере с последующим анодированием.

«Этот метод быстрее, но ранее не пользовался популярностью, потому что скорость анодирования зависит от многих параметров — например, температуры и кислотности электролита, а также скорости его протекания через ячейку. На микронных толщинах оксидной пленки влияние этих факторов не так заметно, но на пленках толщиной сотни нанометров уже ощутимо. Контроль по напряжению и току помогает слабо — параметры анодирования меняются раз от раза. Я подумал: если нам нужны структуры с конкретными оптическими свойствами, стоит мониторить именно их. Особенность нашего метода в том, что можно контролировать процесс анодирования, ориентируясь на значение коэффициента отражения света от алюминиевой пленки на подложке с оксидным слоем на поверхности. Можно остановить процесс именно тогда, когда оксидный слой дорастет до нужной толщины, а коэффициент отражения света от пленки опустится до заданного значения. Помимо расширенных возможностей контроля оптических свойств пленки, мы ускорили процесс. Вместо семи часов я выращиваю тонкую пленку анодного оксида алюминия толщиной около 160 нанометров за две минуты», — объяснил Игорь Никитин.

Многие ученые для анодирования используют неорганические электролиты, но исследователи из ИТМО применили органическую щавелевую кислоту. Ее компоненты встроились в структуру тонкой пленки анодного оксида алюминия и образовали люминесцентные центры. Они умеют передавать энергию другим светящимся объектам и многократно усиливать их люминесценцию. Такую особенность можно использовать в биосенсорах и иммунолюминесцентном анализе, например, для диагностики аллергии.

«Раньше врач делал на коже пациента насечки и капал на них аллерген. Есть реакция — значит, есть определенная аллергия. Сейчас применяют иммунолюминесцентный анализ. На подложку наносят реагент с биологическим образцом пациента, например кровь, и светят лазером. По отклику врач понимает, есть ли аллергия. Проблема в том, что свечение трудно увидеть невооруженным глазом без продвинутых фотодетекторов. Для усиления люминесценции в подложку добавляют золотые или серебряные наночастицы. Использование дорогих благородных металлов увеличивает стоимость диагностики. Тонкие пленки анодного оксида алюминия — более доступный вариант усилителя. Их люминесцентные центры передают энергию органическим молекулам, и те пятикратно увеличивают интенсивность своей люминесценции. Так врачу проще определять реакцию на аллергию, не доставляя пациенту дискомфорт», — рассказал Игорь Никитин.

Еще с помощью нового метода можно создавать тонкие пленки для простых и недорогих светоделительных пластин с определенным соотношением интенсивностей разделенных пучков, а также солнечные батареи. Сейчас в батареях используется покрытие из оксида индия-олова, которое пропускает свет внутрь батареи и в то же время проводит заряд в ее полупроводниковом слое. В перспективе дорогой оксид с редкоземельными металлами можно заменить более доступными структурами, основанными на тонких пленках анодного оксида алюминия.

В дальнейшем ученые ИТМО планируют сделать редизайн электрохимической ячейки, чтобы контролировать температуру, скорость протока и кислотность электролита — важные условия для анодирования. Это поможет сделать процесс еще более управляемым.

Исследование поддержано грантом РНФ №23-72-00045.