Способ создания управляемого субволнового температурного профиля и плазмонная метаповерхность для реализации способа Российский патент 2023 года по МПК G01K11/324 G01N21/65 G01J3/44 B82B3/00 B82Y40/00 

Заявленное изобретение относится к области термоплазмоники, и представляет собой устройство, создающее неоднородный нагрев в исследуемом материале на наномасштабе под действием непрерывного лазерного излучения и способу управления субволновым температурным профилем в исследуемом материале с помощью этого устройства с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния света.

На дату подачи настоящей заявки существует потребность в технологиях и устройствах, позволяющих создавать управляемый субволновой температурный профиль в материале, или, другими словами, обеспечивать неоднородный нагрев материала на наномасштабе (локализованный нагрев). Использование локализованного нагрева особенно востребовано в реальных технических устройствах в широком спектре промышленности, техники и/или науки, где требуется целенаправленное управление температурными градиентами на субволновых масштабах. Это связано с тем, что неоднородный локализованный нагрев позволяет осуществлять избирательный нагрев на наномасштабе, что, например, находит применение в фототермической терапии рака, где требуется избирательное уничтожение клеток под действием тепла, а именно уничтожение раковых клеток (больных клеток) и сохранение здоровых соседних клеток за счёт теплового воздействия [https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT00848042; Ali, M. R. K., Ibrahim, I. M., Ali, H. R., Selim, S. A. & El-Sayed, M. A. Treatment of natural mammary gland tumors in canines and felines using gold nanorods-assisted plasmonic photothermal therapy to induce tumor apoptosis. Int. J. Nanomed. 11, 4849-4863 (2016)]; в нанохирургии для избирательного разрушения, модификации или манипулирования молекулярными, субклеточными и клеточными структурами под действием тепла [Boulais, E., Lachaine, R., Hatef, A. & Meunier, M. Plasmonics for pulsed-laser cell nanosurgery: fundamentals and applications. J. Photochem. Photobiol. 17, 26-49 (2013)]; в дезинфицировании хирургических инструментов (в том числе имплантов) для светоиндуцированного локализованного уничтожения бактерий под действием тепла [De Miguel, I. et al. Plasmon-based biofilm inhibition on surgical implants. Nano Lett. 19, 2524-2529 (2019)]; в широкополосных поглотителях для солнечной термофотовольтаики для увеличения эффективности преобразования солнечной энергии в функциональных слоях солнечных элементов для генерации тока [Omair, Z. et al. Ultraefficient thermophotovoltaic power conversion by band-edge spectral filtering. Proc. Natl Acad. Sci. USA 116, 15356-15361 (2019)]; в структуре поверхностных дорожных покрытий для создания фототермического эффекта под действием света с целью защиты дорожного покрытия от обледенения [Wang, B.; Yu, P.; Yang, Q.; Jing, Z.; Wang, W.; Li, P.; Tong, X.; Lin, F.; Wang, D.; Lio, G. E.; Caputo, R.; Á valos-Ovando, O.; Govorov, A. O.; Xu, H.; Wang, Z. M. Upcycling of Biomass Waste into Photothermal Superhydrophobic Coating for Efficient Anti-icing and Deicing. Mater. Today Phys. 2022, 24, No. 100683].

Кроме того, управляемый локализованный нагрев находит применение в датчиках, позволяющих регистрировать фазовые переходы (такие как стеклование и плавление) в наноразмерных материалах, что позволяет определять физические свойства материалов на нанормасштабе для определения их применимости в тех или иных областях техники [RU 2771440 C1]. Известно, что физико-химические свойства наноразмерных материалов отличается от их объемных аналогов. Например, температура фазовых переходов, таких как температура плавления [Asoro, M.; Damiano, J.; Ferreira, P. J. Size Effects on the Melting Temperature of Silver Nanoparticles: In-Situ TEM Observations. Microsc. Microanal. 2009, 15 (S2), 706-707] и температура стеклования [Meincken, M., Balk, L. J., Sanderson, R. D. Measurement of thermal parameters and mechanical properties of polymers by atomic force microscopy. Surf. Interface Anal. 2003, 35, 1034-1040] наноразмерных материалов критически зависит от их размера. При этом температура фазовых переходов характеризует температурную стабильность материала. В связи с этим существует необходимость определения возможности использования наноразмерного материала в том или ином техническом устройстве, из чего следует необходимость определения температуры фазовых переходов наноразмерных материалов для выявления возможности их применения в тех или иных устройствах, используемых как в науке, так и в промышленности. Для реализации контроля температуры фазовых переходов наноразмерных материалов требуются устройства, позволяющие создавать неоднородный нагрев в таких материалах без деструкции их геометрии, поскольку наноразмерные материалы могут представлять собой композиты тонких пленок и макроскопический нагрев такого композита приведет к его необратимой деструкции.

Также использование локализованного нагрева необходимо в полимеразной цепной реакции (ПЦР) для быстрого оптического термоциклирования [Son, J. H.; Cho, B.; Hong, S.; Lee, S. H.; Hoxha, O.; Haack, A. J.; Lee, L. P. Ultrafast Photonic PCR. Light-Sci. Appl. 2015, 4, e280].

При этом существующие на дату подачи заявки способы и устройства, позволяющие создавать локализованный нагрев, имеют недостатки, представленные более подробно далее:

- по патентам TW 202215573 (A) (опубл. 16.04.2022) и KR 20120097556 (B1) (опубл. 05.09.2012) отсутствует возможность локализации нагрева на субволновом масштабе;

- согласно патенту RU 2497489 C1 (опубл. 10.11.2013), устройство обладает узким температурным диапазоном нагрева;

- по патентам RU 2497489 C1 (опубл. 10.11.2013) и RU 2025234 C1 (опубл. 30.12.1994), а также публикации [L. Jauffred, A. Samadi, H. Klingberg, P.M. Bendix, L.B. Oddershede. Plasmonic Heating of Nanostructures. Chem. Rev., 2019, 119, 8087-8130] имеет место ограничение применимости разработки по материалу нагреваемого объекта;

- по статье [S. Ishii, R. Kamakura, S.L. Shinde, T. Nagao, M. Suzuki, S. Murai, H. Sakamoto, T.D. Dao, K. Fujita, K. Namura, K. Tanaka. Demonstration of temperature-plateau superheated liquid by photothermal conversion of plasmonic titanium nitride nanostructures. Nanoscale, 2018, 10, 18451]] имеет ограничение применимости разработки по условиям окружающей среды;

- по статье [Z. Yang, X. Han, H.K. Lee, G.C. Phan-Quang, C.S.L. Koh, C.L. Lay, Y.H. Lee, Y.E. Miao, T. Liu, I.Y. Phang, X.Y. Ling. Shape-dependent thermo-plasmonic effect of nanoporous gold at the nanoscale for ultrasensitive heat-mediated remote actuation. Nanoscale, 2018, 10, 16005] имеет место сложные конструктивные изменения самого источника тепла для управления температурой;

- по статье [Baffou G., Quidant R. Thermo-plasmonics: using metallic nanostructures as nano-sources of heat. Laser Photon. Rev. 2013, 7, 171-187] имеет место отсутствие возможности создания управляемого субволнового температурного профиля при фиксированном значении интенсивности лазерного излучения.

В связи с этим, на дату подачи заявочных документов существует проблема, заключающаяся в поиске экспериментальных методов, позволяющих создавать технологии по управляемому субволновому температурному профилю. Разработка этого способа обеспечит возможность:

- создания управляемого субволнового температурного профиля при фиксированной интенсивности непрерывного лазерного излучения, величина которой не ограничена какими-либо значением, реализуемое за счет изменения высоты наноструктуры В (наноструктуры из материала аналогичного подложке) вокселя А:В, при этом чем выше наноструктура В, тем выше температура нагрева вокселя, при этом высота наноструктуры В (наноструктуры из материала аналогичного подложке) вокселя А:В задает рабочий диапазон температур нагрева вокселя А:В (высота наноструктуры В определяет максимальную температуру нагрева вокселя), в рамках которого управление температурой осуществляется путем изменения интенсивности лазерного излучения, при этом температура нагрева вокселей А:В определяется балансом между мощностью, поглощенной плазмонными наноструктурами А под действием непрерывного лазерного излучения, и механизмом теплопроводности с окружающей средой;

- обеспечения возможности создания управляемого субволнового температурного профиля в средах, теплопроводность которых значительно превышает теплопроводность плазмонного материала (k_s/k_m>1).

Таким образом, на дату подачи настоящей заявки сохраняется потребность в элементах и системах, которые могут обеспечить как точную локальную избирательность нагрева, так и контроль температуры на наномасштабе, для их использования в конкретных областях и реальных технических устройствах в широком спектре областей промышленности, техники и/или науки.

Далее заявителем приведены термины и/или определения, использованные в заявленном техническом решении для целей исключения неоднозначного понимания заявочных материалов.

Плазмон - квазичастица коллективных колебаний электронов, возникающая под действием света.

Плазмонный материал - материал (металл или металлоподобный материал), который способен поддерживать поверхностные плазмоны на границе раздела металл-диэлектрик (https://www.frontiersin.org/research-topics/18882/plasmonic-materials-from-fundamentals-to-applications).

Плазмонный резонанс - усиление электромагнитного поля вблизи поверхности металлических структур при совпадении собственной частоты колебаний электронного газа и частоты падающего излучения.

Плазмоника - область физики, изучающая физические явления, возникающие при взаимодействии света с металлическими или сильно легированными полупроводниковыми структурами.

Термоплазмоника - это область фотоники, которая направлена на использование энергии света для генерации тепла в наномасштабе (перев. с англ. яз. http://nanolase.fis.unical.it/index.php/research/thermo-plasmonics).

Метаповерхность - искусственно созданный на подложке периодический массив структур или отверстий субволнового размера, которые, взаимодействуя с электро-магнитным падающим излучением, способны управлять электро-магнитными волнами (например, амплитудой, фазой или поляризацией прошедших или отраженных волн), а также для управления дисперсионными свойствами поверхностных волн (http://www.mwelectronics.ru/2019/Papers/514-518.pdf; M. Faenzi, G. Minatti, D. González-Ovejero, F. Caminita, E. Martini, C.D. Giovampaola, S. Maci. Metasurface Antennas: New Models, Applications and Realizations. Sci. Reports. 2019,9,10178).

Антенна (наноантенна) - структура (наноструктура), преобразующая оптическое излучение в локализованную тепловую энергию в условиях плазмонного резонанса, обеспечивая при этом улучшенное и контролируемое взаимодействие света с веществом (A. Habib, X. Zhu, S. Fong, A.A. Yanik. Active plasmonic nanoantenna: an emerging toolbox from photonics to neuroscience. Nanophotonics. 2020, 9, 3805-3829).

Плазмонная метаповерхность - это двумерный массив наноантенн из металла или металлоподобного материала на подложке, который может управлять распространением света в наномасштабе. Плазмонные метаповерхности отличаются сверхтонкой толщиной, простотой изготовления, ограничением поля за дифракционным пределом и нелинейными свойствами (перев. с англ. яз. E.S.H. Kang, M.S. Chaharsoughi, S. Rossi, M.P. Jonsson. Hybrid plasmonic metasurface. J. Appl. Phys. 2019, 126, 140901).

Плазмонные наноструктуры - это системы металлических наночастиц, наноотверстий и щелей в металлических пленках, а также гибридные системы, включающие диэлектрические слои, активные среды или молекулы, позволяющие использовать поверхностные плазмонные резонансы для захвата, концентрирования и распространения световой энергии (перев. с англ. яз. S.K. Gray. Theory and Modeling of Plasmonic Structures. J. Phys. Chem. C. 2013, 117, 1983-1994).

Наноразмерные материалы - это материалы, геометрические размеры которых по крайней мере в одном измерении в которых хотя бы в одном измерении не превышает 100 нм. Эти материалы обычно обладают качественно новыми свойствами, сильно отличающимися от их объемных аналогов, из-за квантовых и поверхностных граничных эффектов (перев. с англ. яз. https://www.nature.com/subjects/nanoscale-materials).

Температурный профиль - двумерное распределение температуры на поверхности материала.

Субволновой размер - размер на масштабах меньше длины волны излучения.

Тугоплавкий материал - класс материалов, обладающий высоким значением температуры плавления (более 2000°C).

Комбинационное рассеяние света (эффект Рамана) - неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества (твёрдого, жидкого или газообразного), сопровождающееся заметным изменением частоты излучения.

Стоксова линия комбинационного рассеяния света - низкочастотная (длинноволновая) компонента комбинационного рассеяния света, соответствующая переходу молекулы с нижнего на верхний колебательный уровень в результате поглощения и рассеяния кванта света.

Фотовольтаика - раздел науки на стыке физики, фотохимии и электрохимии, изучающий процесс возникновения электрического тока в различных материалах под действием падающего на него света.

Воксель - элемент объёмного изображения, содержащий значение элемента растра в трёхмерном пространстве. Воксели являются аналогами двумерных пикселей для трёхмерного пространства [https://ru.wikipedia.org/wiki/Воксел]. В настоящем описании заявитель использует термин воксель для обозначения трехмерной системы А:В сложенных друг на друга наноструктур, где наноструктура А выполнена из плазмонного материала, а наноструктура В из материала подложки.

Микрофлюидика - междисциплинарная наука, описывающая поведение малых (порядка микро- и нанолитра) объёмов и потоков жидкостей, а также способы манипуляции ею.

Из исследованного заявителем уровня техники выявлен метод создания локализованного нагрева среды (например, воды) с помощью металлических наноструктур произвольной формы и произвольного размера (сфера, диск, куб, параллелепипед, эллипсоид, цилиндр и т.д.), лежащих на подложке или расположенных в среде. Под действием непрерывного (или импульсного) лазерного излучения в условиях плазмонного резонанса происходит нагрев металлических наноструктур, температура которых может регулироваться интенсивностью лазерного излучения. [Baffou G., Quidant R. Thermo-plasmonics: using metallic nanostructures as nano-sources of heat. Laser Photon. Rev. 2013, 7, 171-187; Govorov A.O., Richardson H. H. Generating heat with metal nanoparticles. 2007, 2, 30-38].

Преимущество данного подхода заключается в том, что плазмонные наноструктуры позволяют нагревать свое локальное окружение в нанометровом объеме материала, так что нагрев исследуемого материала осуществляется на нанометровом масштабе. Температура нагрева плазмонных наноструктур (а значит и окружающей их среды) может управляться путем изменения интенсивности лазерной накачки. При этом характерный масштаб времени, необходимый для достижения теплового равновесия в системе, составляет несколько микросекунд.

Недостаток известного метода заключается в том, что управление нагревом металлических наноструктур реализуется исключительно путем изменения интенсивности лазерной накачки. В то время как не все технические решения допускают изменение интенсивности лазерного излучения. Из этого следует, что с помощью данного метода невозможно создание управляемого субволнового температурного профиля при фиксированной интенсивности оптического излучения. Кроме того, если теплопроводность среды (подложки) значительно превышает теплопроводность металла (выполняется следующее условие между коэффициентами теплопроводности среды (k_s) и металла (k_m): k_s/k_m<1), управление температурой нагрева через изменение интенсивности лазерного излучения будет неосуществимо, поскольку все тепло будет диффундировать в подложку.

Другим известным способом создания локализованного нагрева среды (например, воды) с помощью плазмонных наноструктур из нитрида титана является метод подавления теплоотвода из оптически облучаемой области, который заключается в использовании подложки с низкой теплопроводностью [S. Ishii, R. Kamakura, S.L. Shinde, T. Nagao, M. Suzuki, S. Murai, H. Sakamoto, T.D. Dao, K. Fujita, K. Namura, K. Tanaka. Demonstration of temperature-plateau superheated liquid by photothermal conversion of plasmonic titanium nitride nanostructures. Nanoscale, 2018, 10, 18451], когда плазмонные наноструктуры освещают сфокусированным непрерывным лазерным излучением на длине волны 785 нм с рабочей интенсивностью от 0-25 мВт/мкм². Таким образом, метод основан на настройке температуры оптического нагрева плазмонных наноструктур за счет теплопроводности среды (подложки).

Преимуществом данного подхода является возможность создания управляемого локализованного нагрева с помощью плазмонных наноструктур путем изменения интенсивности непрерывного лазерного излучения. Это связано с тем, что температура нагрева плазмонных наноструктур зависит от окружающей среды (подложки), которая действует как теплоотвод, эффективность которого определяется ее теплопроводностью. Среда с теплопроводностью, значительно превышающей теплопроводность металлической (плазмонной) наноструктуры (k_s/k_m<1), ограничивает отток тепла. Таким образом, чем ниже теплопроводность среды, тем выше нагрев плазмонной наноструктуры.

Недостаток известного технического решения заключается в ограниченном выборе потенциальных материалов подложки, а именно, исключительно материалов с низким значением теплопроводности. Таким образом, данное техническое решение имеет ограниченную область применения и не позволяет создавать управляемый субволновой температурный профиль при фиксированной интенсивности накачки в условиях высокой теплопроводности среды (подложки).

Из исследованного уровня техники заявителем выявлен способ создания локализованного оптического нагрева с помощью металлических наноструктур, освещаемых лазерным излучением, путем увеличения коэффициента оптического поглощения (сечения поглощения) за счет изменения форм и размеров наноструктур [G. Baffou, R. Quidant, C. Girard. Heat generation in plasmonic nanostructures: Influence of morphology. Appl. Phys. Lett., 2009, 94, 153109; L. Jauffred, A. Samadi, H. Klingberg, P.M. Bendix, L.B. Oddershede. Plasmonic Heating of Nanostructures. Chem. Rev., 2019, 119, 8087-8130; Z. Yang, X. Han, H.K. Lee, G.C. Phan-Quang, C.S.L. Koh, C.L. Lay, Y.H. Lee, Y.E. Miao, T. Liu, I.Y. Phang, X.Y. Ling. Shape-dependent thermo-plasmonic effect of nanoporous gold at the nanoscale for ultrasensitive heat-mediated remote actuation. Nanoscale, 2018, 10, 16005].

Преимущество известного метода заключается в возможности создания управляемого субволнового температурного профиля с помощью плазмонных наноструктур под действием лазерного излучения за счет управления сечением поглощения наноструктур при изменении их форм и размеров.

Недостаток известного технического решения заключается в том, что изменение размеров наноструктур ограничено эффективностью преобразования света в тепло. Из этого следует, что диапазон рабочих температур нагрева наноструктуры ограничен ее размерами. Кроме того, изменение размера плазмонной наноструктуры сопровождается сдвигом длины волны ее плазмонного резонанса, а значит, для эффективного преобразования света в тепло требуется настройка лазерного излучения на новую длину волны, персонально под каждую геометрию структуры. Как следствие, управление субволновым температурным профилем при фиксированной интенсивности лазерной накачки на фиксированной длине волны в данном случае не осуществимо. Также к недостаткам можно отнести тот факт, что в случае, когда теплопроводность среды (подложки) значительно превышает теплопроводность наноструктуры, будет наблюдаться потеря генерируемого тепла за счет его диффузии в среду, что приведет к снижению температуры нагрева.

Известно техническое решение для создания управляемого локализованного нагрева с помощью плазмонных наноструктур, основанное на использовании материала фототермических наноструктур с высокой оптической поглощающей способностью и низкой теплопроводностью - структур с большим удлинением, которые можно рассматривать как пористую структуру. Такие материалы позволяют создавать анизотропный характер эффективных теплопроводностей наноструктур [D.P.H. Hasselman, L.F. Johnson, “Effective thermal conductivity of composites with interfacial thermal barrier resistance,” J. Compos. Mater., vol. 21, pp. 508-515, 1987], например, из такого материала, как пористый оксид алюминия [D.-A. Borca-Tasciuc, G. Chen, “Anisotropic thermal properties of nanochanneled alumina templates,” J. Appl. Phys., vol. 97, p. 084303, 2005.; B. Abad, J. Maiz, A. Ruiz-Clavijo, O. Caballero-Calero, M. Martin-Gonzalez, “Tailoring thermal conductivity via three-dimensional porous alumina,” Sci. Rep., vol. 6, p. 38595, 2016], что позволяет создавать управляемый нагрев наноструктур.

Преимуществом известного метода является возможность управления субволновым температурным профилем за счет изменения интенсивности лазерного излучения, поскольку использование наноструктур с анизотропным характером эффективной теплопроводности позволяет устранить зависимость температуры нагрева металлических наноструктур от теплопроводности окружающей среды (например, подложки).

Недостаток данного подхода заключается в том, что известное техническое решение требует предварительного проектирования и расчета эффективной теплопроводности наноструктур. Это связано с тем, что теплопроводность от точечного источника тепла включает теплопроводность по трем измерениям, а значит все три компоненты (X,Y,Z) влияют на теплопроводность внутри анизотропной среды, и как следствие, требуется проектирование эффективной теплопроводности наноструктур, что усложняет процесс создания наноструктур для их дальнейшего использования в качестве локализованных источников тепла в том или ином техническом решении.

Из исследованного уровня техники заявителем выявлен способ создания локализованного оптического нагрева с помощью металлических структур из нитрида титана путем снижения эффективной теплопроводности самих структур за счет использования форм траншей и столбов (труб) с высоким соотношением сторон (>8) [S. Ishii, M. Higashino, S. Goya, E. Shkondin, K. Tanaka, T. Nagao, O. Takayama, S. Murai. Extreme thermal anisotropy in high-aspect-ratio titanium nitride nanostructures for efficient photothermal heating. Nanophotonics, 2021, 10, 1487-1494]. Данная геометрия структур создает сильно анизотропный характер эффективной теплопроводности структуры, в результате чего увеличивается оптическая поглощающая способность и понижается теплопроводность, что позволяет создавать управляемый температурный профиль путем изменения интенсивности непрерывного лазерного излучения.

Преимущество известного метода заключается в возможности создания управляемого локализованного нагрева путем изменения интенсивности лазерного излучения не зависимо от теплопроводности материала окружающей среды (например, подложки).

Недостатком известного метода является необходимость дополнительных расчетов размеров и геометрии плазмонных наноструктур для определения оптимальных значений эффективной теплопроводности с целью создания управляемого локализованного нагрева. Кроме того, высота данных структур составляет более 2 мкм, что не позволяет создавать субволновой температурный профиль по высоте.

Известно изобретение по патенту RU 2497489 «Способ локального индукционного нагрева биологических тканей». Сущностью является способ локального индукционного нагрева биологических тканей в переменном магнитном поле высокой частоты, отличающийся тем, что внутри нагреваемого объекта размещается тканезамещающий аппликатор, изготовленный из полимерного материала, модифицированного путем добавления электропроводных ферромагнитных частиц размером 200-1000 мкм, с массовой долей 20-60%. Известный способ представляет собой бесконтактный индукционный нагрев размещаемого внутри биологического объекта тканезамещающего аппликатора за счет внедрения на стадии его изготовления проводящих ферромагнитных частиц в полимерный материал.

Преимущество известного способа заключается в том, что он представляет собой бесконтактный нагрев, что исключает деструкцию исследуемого материала. Кроме того, нагреву подвергается лишь аппликатор и ткани, непосредственно прилегающие к нему, благодаря чему обеспечивается локализация нагрева. Как следствие, известный способ позволяет локально бесконтактно разогревать заранее выбранные участки внутри объектов органического происхождения.

Недостаток известного способа заключается в том, что нагрев может осуществляться исключительно в биологических объектах, что констатировано в описании, и как следствие, ограничивает его применение по назначению.

Известно изобретение по патенту SU 415836 A1 «Способ локального индукционного нагрева». Сущностью является способ локального нагрева путем наведения током индуктора токов в экране и детали, отличающийся тем, что с целью уменьшения зоны термо-влияния, в нагреваемой области детали дополнительно наводят ток током экрана, образуя при этом совместно с током, наведенным индуктором, локализованный общий контур тока.

Преимуществом является возможность локального нагрева для сварки, закалки и других целей с заданным распределением областей плавления или нагрева.

Недостаток известного способа заключается в том, что он не позволяет создавать управляемый субволновой температурный профиль, т.к. область нагрева превышает нанометровый масштаб. Кроме того, известное техническое решение может применяться исключительно в технологии пайки, что ограничивает его область применения.

Известно изобретение по патенту TW 202215573 A «Контролируемый локальный нагрев подложек». Сущностью является устройство для контролируемого локального нагрева целевой поверхности подложки, снабженной термочувствительным материалом для изменения состояния указанного материала, устройство, содержащее носитель, имеющий несущую поверхность для несущей подложку на несущей поверхности, противоположной поверхности мишени, при этом носитель имеет множество латерально распределенных зон нагрева, которые теплоизолированы друг от друга, соответствующих зон нагрева, содержащих соответствующие резистивные нагревательные элементы и термически соединенных с радиатором, контроллером для управления выборочной подачей электроэнергии по меньшей мере к одному из соответствующих резистивных нагревательных элементов, содержащихся по меньшей мере в одной из множества латерально распределенных зон нагрева.

Преимущество известного технического решения заключается в возможности создания одной или нескольких зон нагрева подложки, которые могут быть активированы одновременно, благодаря чему реализуется пространственное управление нагревом.

Недостаток известного технического решения заключается в том, что размер каждого резистивного нагревательного элемента составляет 200x400 мкм² (площадь 0,08 мм²), из чего следует, что данный способ не позволяет создавать управляемый субволновой температурный профиль в следствие большой области нагрева, превышающей нанометровый масштаб.

Известно изобретение по патенту CN 114322360 A «Устройство локального обогрева и способ его изготовления». Сущностью является локальное нагревательное устройство, характеризующееся тем, что оно включает в себя плавник рассеивания тепла, первый теплопроводящий металл, расположенный на плавнике рассеивания тепла, и первый теплопроводящий металл, расположенный на первом теплопроводящем металле. Теплоизоляционный слой, нагревательный лист, расположенный на теплоизоляционном слое, второй теплопроводящий металл, расположенный на нагревательном листе, и второй теплопроводящий металл, расположенный на нагревательном листе, датчик температуры и полупроводниковый холодильный лист во втором теплопроводящем металле, в первый теплопроводящий металл; полупроводниковый холодильный лист, он имеет нагревательную поверхность и охлаждающую поверхность, расположенную напротив, а охлаждающая поверхность расположена вверх.

Преимущество известного технического решения заключается в том, что данное изобретение позволяет создавать горячие зоны с большой разницей температур в двух областях, которые находятся близко друг к другу на одной и той же подложке, что может применяться в полимеразной цепной реакции в микрофлюидике.

Недостатком известного изобретения является тот факт, что данное устройство не позволяет создавать управляемый субволновой температурный профиль, поскольку имеет возможность создавать исключительно две области разной температуры на микрометровом масштабе, что превышает наномертовую область нагрева.

Известно изобретение по патенту KR 20120097556 B1 «Нанонагреватель, включающий устройство с массивом нанопроволок и приложение, использующее его». Сущностью является нанообогреватель, включающий массив металлических нанопроводов, уложенных с заданным интервалом на подложке, в котором металлические нанопровода имеют заданный интервал в направлении, перпендикулярном продольному направлению, и напряжение подается к каждому из металлических нанопроводов, покрывающих полимерный слой на металлическом нагревателе нанопроводов, к которому подключено множество электродов для применения; генерация Джоулева тепла для подачи напряжения на конкретный металлический нанопровод среди металлических нанопроводов нанонагревателя; и шаг полимерной реакции, включающий в себя шаг сшивания или резки полимерного слоя с покрытием сгенерированным джоуль-теплом.

Преимущество данного технического решения заключается в том, что данный нанонагреватель позволяет создавать локализованный нагрев в выборочных областях за счет подачи напряжения на конкретный металлический нанопровод, т.е. создавать управляемый локализованный нагрев. Кроме того, поскольку данное устройство представляет собой массив нанонагревателей, расположенных с заданным интервалом на подложке, возможен независимый контроль температуры. Таким образом, с помощью нанонагревателя в соответствии с настоящим изобретением возможно создание температурного градиента желаемой формы в нанометровом блоке.

Недостаток данного технического решения заключается в том, что область нагрева в длину составляет десятки мкм (19 и 20 мкм), что не позволяет создавать управляемые пространственно-ограниченные температурные профили на наномашстабе, а значит не позволяет создавать управляемый субволновой температурный профиль.

Известно изобретение по патенту US 2009235915 A1 «Нанонагревательные элементы, системы и способы их применения». Сущностью является нанонагреватель, содержащий первый реактивный элемент; промежуточный слой, сообщающийся по меньшей мере с частью первого реактивного элемента; а также второй реакционноспособный элемент, отделенный от первого реакционноспособного элемента промежуточным слоем, так что взаимодействие между первым реакционноспособным элементом и вторым реакционноспособным элементом приводит по меньшей мере к одной экзотермической реакции. Известное техническое решение можно использовать как нанонагреватель. В одном варианте осуществления элемент нанонагревателя включает в себя первый реакционноспособный элемент. Нанонагревательный элемент также включает промежуточный слой, сообщающийся по меньшей мере с частью первого реакционноспособного элемента. Промежуточный слой элемента нанонагревателя может содержать мембрану. Кроме того, элемент нанонагревателя содержит второй реактивный элемент. Например, второй реакционноспособный элемент может быть отделен от первого реакционноспособного элемента промежуточным слоем. Предпочтительно контакт или взаимодействие между первым и вторым реакционноспособными элементами нанонагревательного элемента может привести к по меньшей мере одной экзотермической реакции. Нанонагревательный элемент изобретения может необязательно включать подложку, на которой расположен первый реакционноспособный элемент

Преимуществом известного технического решения является тот факт, что нагревательный элемент или система нанонагревателя могут обеспечивать локализованный по высоте (определяется толщиной элементов, которая находится в нанометровом масштабе) управляемый нагрев.

Недостатком известного технического решения является высокая сложность архитектуры устройства, что сопряжено с рядом технических трудностей при ее изготовлении. Кроме того, известное устройство позволяет создавать локализацию нагрева лишь в одном направлении - по толщине, что не обеспечивает возможность создания управляемого пространственно-ограниченного нагрева на наномашстабе, а значит не позволяет создавать управляемый субволновой температурный профиль.

Известна полезная модель по патенту CN 213880309 (U) «Углеродный нанонагревательный элемент». Сущностью является углеродный нанонагревательный элемент, который включает в себя два слоя углеродной нанопленки для нагрева и изолирующий слой, который обертывает слои углеродной нанопленки для изоляции, два слоя углеродной нанопленки расположены друг над другом, и слои углеродной нанопленки имеют множество углеродных нанотрубок, расположенных с интервалами вдоль слоев углеродной нанопленки, а углеродные нанотрубки на двух слоях углеродной нанопленки смещены для увеличения площади нагрева углеродной нанопленки нагревательного элемента.

Преимуществом известного технического решения является гибкость нагревательного элемента, которая достигается за счет мягкой текстуры углеродного слоя нанопленки и изоляционного слоя, а также их многослойной структуры. Кроме того, тонкий слой углеродных нанотрубок (5 мкм-10 мкм) обеспечивает малую тепловую инерцию электрического нагревательного элемента углеродной нанопленки и, как следствие, быструю теплопроводность. Другим преимуществом нагревательного элемента является широкий диапазон нагрева до 1200°C в закрытой среде.

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности создания управляемого субволнового температурного профиля, поскольку данное устройство реализует исключительно однородный нагрев на микрометровых масштабах.

Известно изобретение по патенту RU 2771440 «Способ детектирования температуры стеклования наноразмерных полимерных материалов и термоплазмонный нагреватель», выбранное заявителем в качестве прототипа. Сущностью является термоплазмонный нагреватель, содержащий подложку и расположенный на ней массив плазмонных наноструктур, отличающийся тем, что материал подложки выбран из ряда: кремний, оксид кремния, оксид алюминия, оксид магния, слюда; материал плазмонных наноструктур выбран из ряда нитридов металлов переходной группы; при этом подложка имеет произвольную форму; при этом плазмонные наноструктуры имеют произвольную одинаковую форму и одинаковый размер в диапазоне: латеральный размер 10-1000 нм и высоту 10-1000 нм.

Преимуществом прототипа являются следующие характеристики:

- высокое аксиальное разрешение (определяется высотой плазмонной наноструктуры и составляет 10-1000 нм).

- простая архитектура метаповерхности, что исключает технические трудности при её изготовлении.

- возможность создания управляемого локального нагрева на основе термоплазмонного нагревателя за счет изменения интенсивности лазерного излучения с изменением температуры от 0,1°C до 280°C;

- обеспечение высокой точности нагрева до 0,1°C.

Недостатками прототипа по сравнению с заявленным техническим решением является:

1 - отсутствие возможности создания управляемого субволнового температурного профиля при фиксированном значении интенсивности лазерного излучения, т.к. управление температурой реализуется исключительно за счёт изменения интенсивности лазерного излучения, в отличие от заявленного технического решения;

2 - отсутствие возможности создания управляемого субволнового температурного профиля в средах, теплопроводность которых значительно превышает теплопроводность плазмонного материала (k_s/k_m>1, где k_s - теплопроводность среды, а k_m - теплопроводность плазмонного материала).

Техническим результатом заявленного технического решения является разработка способа создания управляемого субволнового температурного профиля на основе плазмонной метаповерхности на наномасштабе под действием непрерывного лазерного излучения, устраняющего недостатки перечисленных выше аналогов и прототипа и обеспечивающих получение улучшенных характеристик:

- создание управляемого субволнового температурного профиля при фиксированной интенсивности непрерывного лазерного излучения, величина которой не ограничена какими-либо значением, реализуемое за счет изменения высоты наноструктуры В (наноструктуры из материала аналогичного подложке) вокселя А:В, при этом чем выше наноструктура В, тем выше температура нагрева вокселя, при этом высота наноструктуры В (наноструктуры из материала аналогичного подложке) вокселя А:В задает рабочий диапазон температур нагрева вокселя А:В (высота наноструктуры В определяет максимальную температуру нагрева вокселя), в рамках которого управление температурой осуществляется путем изменения интенсивности лазерного излучения, при этом температура нагрева вокселей А:В определяется балансом между мощностью, поглощенной плазмонными наноструктурами А под действием непрерывного лазерного излучения, и механизмом теплопроводности с окружающей средой;

- обеспечение возможности создания управляемого субволнового температурного профиля в средах, теплопроводность которых значительно превышает теплопроводность плазмонного материала (k_s/k_m>1).

Сущностью заявленного технического решения является способ создания управляемого субволнового температурного профиля, заключающийся в том, что берут плазмонную метаповерхность, подают на нее непрерывное лазерное излучение, под действием которого плазмонные наноструктуры генерируют тепло и упорядоченный массив вокселей А:В плазмонной метаповерхности становится системой точечно распределенных источников тепла на наномасштабе, при этом максимальное значение температуры нагрева вокселей А:В задается высотой наноструктуры В, при этом интенсивность лазерного излучения позволяет управлять температурой в задаваемом высотой наноструктуры В диапазоне рабочих температур, а интенсивность лазерного излучения не ограничена каким-либо определенным значением, при этом чем выше интенсивность непрерывного лазерного излучения, тем выше температура нагрева вокселей А:В, при этом температура нагрева вокселей А:В определяется балансом между мощностью, поглощенной плазмонными наноструктурами А под действием непрерывного лазерного излучения, и механизмом теплопроводности с окружающей средой, при этом, чем выше наноструктура В, тем больше значение максимальной температуры нагрева вокселя А:В при фиксированном значении интенсивности лазерного излучения, которое не ограниченно каким-либо значением, при этом под действием непрерывного лазерного излучения на поверхности плазмонной метаповерхности создается субволновой температурный профиль, пространственный масштаб которого определяется размерами наноструктуры А; далее измеряют спектры комбинационного рассеяния света вокселей А:В - материала наноструктуры А или материала наноструктуры В, при определенном значении интенсивности лазерного излучения; далее по спектрам комбинационного рассеяния света определяют температуру нагрева вокселей А:В и субволновой температурный профиль, создаваемый ими, с помощью термометрии комбинационного рассеяния света. Плазмонная метаповерхность для реализации способа по п.1, содержащая подложку произвольной формы, материал которой выбран из ряда: кремний, оксид кремния, оксид алюминия; на поверхность подложки напылен слой нитрида металла переходной группы из ряда: нитрид титана, нитрид циркония, нитрид гафния, в виде тонкой пленки толщиной в диапазоне от 10-500 нм; из слоя нитрида металла переходной группы сформирован упорядоченный массив плазмонных наноструктур А одинаковой формы и одинакового размера в диапазоне: латеральный размер 10-500 нм, высота 10-500 нм; из подложки сформирован упорядоченный массив наноструктур В одинаковой формы и одинакового размера в диапазоне: латеральный размер 10-500 нм, высота 1-1000 нм; при этом наноструктуры А и В уложены друг на друга и представляют собой упорядоченный массив вокселей - структур А:В.

Заявленное техническое решение поясняется Фиг.1. - Фиг.7.

На Фиг. 1 представлено схематичное изображение плазмонной метаповерхности, где:

1 - плазмонная метаповерхность, где 1а, 1б, 1в, 1г, 1д, 1е - варианты формы подложек и форм вокселей А:В;

2 - подложка;

3 - упорядоченный массив вокселей А:В;

4 - наноструктуры А;

5 - наноструктуры В.

На Фиг. 2 представлено схематичное изображение устройства для практической реализации способа создания управляемого субволнового температурного профиля на основе плазмонной метаповерхности с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света, где:

1 - плазмонная метаповерхность;

6 - источник излучения (лазер);

7 - модуль подготовки излучения, формирует излучение по мощности и задает диаметр лазерного луча, соответствующего входному зрачку объектива;

8 - модуль преобразования излучения, который является модулем частотной фильтрации и отклонения излучения;

9 - модуль фокусировки, который фокусирует излучение на плазмонную метаповерхность;

10 - пьезосканер, на котором расположена плазмонная метаповерхность и который отвечает за перемещение по всем трем координатам (Х, Y, Z);

11 - модуль формирования излучения для регистрации, который формирует рассеянное излучение для его детектирования в дальнем поле;

12 - модуль приема излучения (фотоумножитель).

На Фиг. 3 представлен график, демонстрирующий конкретный пример реализации заявленного технического решения (Пример 1) - управление температурой (К) нагрева вокселя А:В за счет вариации высоты наноструктуры В, что демонстрируется на графике зависимости температуры (К) нагрева вокселя от интенсивности лазерного излучения (МВт/см²), где:

- линия из красных точек - зависимость для вокселя без наноструктуры В,

- линия из синих точек - зависимость для вокселя с наноструктурой В высотой 80 нм,

- линия из розовых точек - зависимость для вокселя с наноструктурой В высотой 130 нм,

- линия из зеленых точек - зависимость для вокселя с наноструктурой В высотой 200 нм,

- линия из оранжевых точек - зависимость для вокселя с наноструктурой В высотой 540 нм,

- линия из оранжевых точек - зависимость для вокселя с наноструктурой В высотой 770 нм

h - значения высоты наноструктуры В в нм.

На Фиг. 4 представлен конкретный пример реализации заявленного технического решения (Пример 2) - создание управляемого субволнового температурного профиля при фиксированной интенсивности лазерного излучения в средах, теплопроводность которых значительно превышает теплопроводность плазмонного материала (k_s/k_m>1), где:

4а - реальное изображение плазмонной метаповерхности (а), полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии, которая представляет собой массив вокселей из нитрида титана (TiN) в форме наноцилиндров диаметром 200 нм и высотой 50 нм, расположенных на кремниевой подложке без кремниевых наноструктур;

4б - реальное изображение плазмонной метаповерхности (б), полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии, которая представляет собой массив вокселей нитрид титана/кремний (TiN:Si) - систему сложенных друг на друга наноцилиндров из нитрида титана (TiN) диаметром 200 нм и высотой 50 нм и кремния (Si) диаметром 200 нм и высотой 770 нм, при этом все воксели TiN:Si (общей высотой 820 нм) расположены на кремниевой подложке;

4в - температурная карта плазмонной метаповерхности (а), построенная с помощью термометрии комбинационного рассеяния света, построенной при освещении непрерывным лазерным излучением на длине волны 633 нм с интенсивностью 5 МВт/см²;

4г - температурная карта плазмонной метаповерхности (б), построенная с помощью термометрии комбинационного рассеяния света, при освещении непрерывным лазерным излучением на длине волны 633 нм с интенсивностью 5 МВт/см².

На Фиг. 5 представлен конкретный пример реализации заявленного технического решения (Пример 3) - создание управляемого субволнового температурного профиля в наноразмерном материале (тонкая полимерная пленка ПММА-ДР1), где:

5а - реальное изображение плазмонной метаповерхности, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии, которая представляет собой массив вокселей А:В, где наноструктуры А из нитрида титана (TiN) в форме наноцилиндров диаметром 200 нм и высотой 50 нм, а наноструктуры В имеют форму наноцилиндров диаметром 200 нм и высотой 100 и 250 нм, расположенных на кремниевой подложке;

5б - реальное изображение плазмонной метаповерхности, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии, которая представляет собой массив вокселей А:В, где наноструктуры А из нитрида титана (TiN) в форме наноцилиндров диаметром 200 нм и высотой 50 нм, а наноструктуры В имеют форму наноцилиндров диаметром 200 нм и высотой 100 и 250 нм, расположенных на кремниевой подложке, и покрытой тонкой полимерной пленкой ПММА-ДР1 толщиной 100 нм;

5в - температурная карта плазмонной метаповерхности без тонкой полимерной пленки ПММА-ДР1, построенная с помощью термометрии комбинационного рассеяния света, при освещении непрерывным лазерным излучением на длине волны 633 нм с интенсивностью 5 МВт/см²;

5г - температурная карта плазмонной метаповерхности с тонкой полимерной пленкой ПММА-ДР1 толщиной 100 нм, построенная с помощью термометрии комбинационного рассеяния света, при освещении непрерывным лазерным излучением на длине волны 633 нм с интенсивностью 5 МВт/см²;

На Фиг. 6 представлена Таблица, в которой представлены результаты измерения температуры нагрева массива вокселей плазмонной метаповерхности по Примерам 4-11.

На Фиг. 7 представлен конкретный пример осуществления заявленного технического решения для определения температуры плавления наноразмерного материала (полимера ПММА-ДР1) с высоким пространственным разрешением (Пример 12), где представлен график зависимости интенсивности колебательной моды 1340 см^-1 полимера ПММА-ДР1 от интенсивности лазерной накачки (0-5 МВт/см²).

Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.

Для достижения заявленного технического результата разработан способ создания управляемого субволнового температурного профиля и устройство для его реализации - плазмонная метаповерхность.

Далее заявителем приведено описание заявленной плазмонной метаповерхности (Фиг.1).

Плазмонная метаповерхность 1 содержит следующие элементы.

Подложку 2, материал которой выбран из ряда: кремний, оксид кремния, оксид алюминия. Подложка имеет произвольную форму, например, (включая, но не ограничивая): параллелепипед, диск, треугольник и др., и произвольный размер, например, (включая, но не ограничивая) латеральный размер (длина, ширина) 100 мкм - 10 см, толщина 100 мкм - 10 см.

На поверхность подложки напылен слой нитрида металла переходной группы из ряда: нитрид титана (TiN), нитрид циркония (ZrN), нитрид гафния (HfN) (которые по своим свойствам являются эквивалентными для реализации заявленного технического результата), в виде тонкой пленки толщиной в диапазоне от 10-500 нм.

Из слоя нитрида металла переходной группы сформирован упорядоченный массив плазмонных наноструктур А одинаковой формы, например, (включая, но не ограничивая) параллелепипед, диск, пирамида, конус, стержень, сфера, цилиндр, и одинакового размера в диапазоне: латеральный размер 10-500 нм, высота 10-500 нм (под размером наноструктур А понимается сторона основания в случае параллелепипеда, пирамиды, стержня, и радиус - в случае диска, конуса, сферы и цилиндра).

Из подложки сформирован упорядоченный массив наноструктур В одинаковой формы, например, (включая, но не ограничивая): параллелепипед, куб, цилиндр, призма, и одинакового размера в диапазоне: латеральный размер 10-500 нм, высота 1-1000 нм (под размером наноструктур В понимается сторона основания в случае параллелепипеда, куба, призмы, и радиус - в случае цилиндра).

При этом наноструктуры А и В уложены друг на друга и представляют собой упорядоченный массив вокселей - структур А:В.

Плазмонную метаповерхность изготавливают следующим образом.

Берут подложку произвольной формы и размера (например, параллелепипед, диск, треугольник и др.), размером, например, от 100 мкм - 10 см и толщиной, например, от 100 мкм - 10 см. Материал подложки выбирают из ряда: кремний, оксид кремния, оксид алюминия. Подложку обрабатывают ультразвуком в ацетоне в течение, например, 15 мин., для ее очищения, при этом уменьшение времени менее 15 мин снижает качество очистки, а превышение времени очистки более 15 мин. не влияет на качество очистки.

Далее на подложку напыляют пленку нитрида металла переходной группы из ряда: нитрид титана (TiN), нитрид циркония (ZrN), нитрид гафния (HfN), толщиной в диапазоне 10-500 нм, например, методом реактивного магнетронного распыления [J. Musil, P. Baroch, J. Vlček, K.H. Nam, J.G. Han. Reactive magnetron sputtering of thin films: present status and trends. Thin Solids Film. 2005, 475, 208-218] на установке вакуумного напыления.

Далее из пленки нитрида металла переходной группы формируют массив наноструктур А (плазмонных наноструктур) в виде одинаковых площадок произвольной формы (например, параллелепипед, диск, пирамида, конус, стержень, сфера, цилиндр и др.), а из подложки под наноструктурами А формируют массив наноструктур В в форме, например, параллелепипеда, цилиндра, куба или призмы, например, путем фрезерования сфокусированным ионным пучком при низком токе (1 пА), например, на растровом электронном микроскопе. Более низкие значения тока могут быть недостаточны для формирования наноструктур строгой геометрии, более высокие значения тока также не позволяют сформировать желаемую геометрию наноструктур.

Получают плазмонную метаповерхность.

Далее приведено описание заявленного способа создания управляемого субволнового температурного профиля.

Для создания управляемого субволнового температурного профиля выполняют следующую последовательность действий:

1. Берут изготовленную плазмонную метаповерхность с подложкой произвольной формы, материал которой выбирают из ряда: кремний, оксид кремния, оксид алюминия.

2. Далее подают непрерывное лазерное излучение на плазмонную метаповерхность, например, лазером марки Integrated Optics (падающее излучение может быть направлено как по нормали, так и под углом к поверхности плазмонной метаповерхности).

3. Под действием непрерывного лазерного излучения плазмонные наноструктуры генерируют тепло и упорядоченный массив вокселей А:В плазмонной метаповерхности становится системой точечно распределенных источников тепла на наномашстабе - под действием света на поверхности плазмонных наноструктур возбуждаются локализованные поверхностные плазмоны, которые способствуют усилению поглощения падающего излучения в плазмонных наноструктурах, которое трансформируется в Джоулево тепло, при этом лазерное излучение позволяет нагревать каждую наноструктуру А независимо от других.

4. Максимальное значение температуры нагрева вокселей А:В задается высотой наноструктуры В, при этом интенсивность лазерного излучения позволяет управлять температурой в задаваемом высотой наноструктуры В диапазоне рабочих температур, а интенсивность лазерного излучения не ограничена каким-либо определенным значением, при этом чем выше интенсивность непрерывного лазерного излучения, тем выше температура нагрева вокселей А:В.

5. Температура нагрева вокселей А:В определяется балансом между мощностью, поглощенной плазмонными наноструктурами А под действием непрерывного лазерного излучения, и механизмом теплопроводности с окружающей средой, при этом, чем выше наноструктура В, тем больше значение максимальной температуры нагрева вокселя А:В при фиксированном значении интенсивности лазерного излучения, которое не ограниченно каким-либо значением.

6. Под действием непрерывного лазерного излучения на поверхности плазмонной метаповерхности создается субволновой температурный профиль, пространственный масштаб которого определяется размерами наноструктуры А.

7. Далее измеряют спектры комбинационного рассеяния света вокселей А:В -материала наноструктуры А или материала наноструктуры В, при определенном значении интенсивности лазерного излучения.

8. Далее по спектрам комбинационного рассеяния света определяют температуру нагрева вокселей А:В и субволновой температурный профиль, создаваемый ими, с помощью термометрии комбинационного рассеяния света.

Термометрия комбинационного рассеяния света представляет собой спектроскопический инструмент для детектирования температуры нагрева исследуемого материала и реализуется на основе зависимости от температуры таких характеристик линий спектра комбинационного рассеяния света как интенсивность, сдвиг и ширина линии [S. Xuac, A. Fanb, H. Wang, X. Zhang, X. Wang. Raman-based nanoscale thermal transport characterization: a critical review. Int. J. Heat Mass Transfer, 2020, 154, 119751].

Далее заявителем приведены примеры конкретного осуществления заявленного технического решения.

Пример 1. Управление температурой нагрева вокселей А:В, с материалом подложки - кремний, материалом наноструктуры А - нитрид титана, различной высотой наноструктуры В и различной интенсивностью лазерного излучения (Фиг. 3).

Берут плазмонную метаповерхность, изготовленную по описанной выше методике, с подложкой, например, в форме квадрата, изготовленной, например, из кремния, размером, например, 2х2 см и толщиной, например, 500 мкм.

Плазмонные наноструктуры (наноструктуры А), выполнены в форме, например, цилиндров, диаметром, например, 200 нм и высотой, например, 50 нм, и изготовлены, например, из нитрида титана.

Кремниевые наноструктуры (наноструктуры В) выполнены в форме, например, цилиндра, диаметром, например, 200 нм и разной высоты, например, 0 нм (кремниевая наноструктура отсутствует), 80 нм, 130 нм, 200 нм, 540 нм, 770 нм.

Форма плазмонной метаповерхности приведена на Фиг.1б.

Схема устройства для определения температуры вокселей плазмонной метаповерхности с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света приведена на Фиг. 2.

На плазмонную метаповерхность подают непрерывное лазерное излучение. Для генерации тепла в качестве источника излучения используют лазер 6, например, марки Integrated Optics. Воздействуют на плазмонную метаповерхность непрерывным лазерным излучением с интенсивностью, например, 5 МВт/см², что соответствует мощности 16 мВт, и длиной волны 633 нм, попадающей в область плазмонного резонанса плазмонных наноструктур из нитрида титана, например, размером 200 нм и высотой 50 нм.

Модуль подготовки излучения формирует излучение с заданной мощностью, например, 16 мВт, которая задает определенную температуру нагрева плазмонных наноструктур, и задает диаметр лазерного луча, соответствующего входному зрачку объектива. При этом используют, например, 100-кратный объектив с апертурой 0,9 и выходной щелью 100 мкм, линейно поляризованный свет.

Под действием непрерывного лазерного излучения наноструктуры из нитрида титана (плазмонные наноструктуры) генерируют тепло и упорядоченный массив вокселей TiN:Si (А:В вокселей) плазмонной метаповерхности становится системой точечно распределенных источников тепла на наномасштабе, при этом максимальное значение температуры нагрева вокселей TiN:Si задается высотой наноструктуры В (наноструктуры из кремния), при этом интенсивность лазерного излучения позволяет управлять температурой в задаваемом высотой наноструктуры кремния диапазоне рабочих температур, а интенсивность лазерного излучения меняется, например, пошаговым образом от 0 МВт/см² до 5 МВт/см² с шагом изменения интенсивности 0,1 МВт/см² (Фиг.3). При этом, чем выше интенсивность непрерывного лазерного излучения, тем выше температура нагрева вокселей TiN:Si. Температура нагрева вокселей TiN:Si определяется балансом между мощностью, поглощенной плазмонными наноструктурами из нитрида титана (TiN:Si) под действием непрерывного лазерного излучения (поглощенной мощности нанонагревателя - плазмонной наноструктуры А), и механизмом теплопроводности с окружающей средой, в результате которого тепло диффундирует от наноструктуры А в окружающую среду. При этом чем выше наноструктура из кремния Si (наноструктура В), тем больше значение максимальной температуры нагрева вокселя TiN:Si при фиксированном значении интенсивности лазерного излучения.

При этом удаленно (без воздействия на плазмонную метаповерхность) измеряют спектры комбинационного рассеяния света вокселей TiN:Si, например материала кремния (материала наноструктуры В) при определенном значении интенсивности лазерного излучения, которая меняется от 0 МВт/см² до 5 МВт/см² с шагом изменения интенсивности 0,1 МВт/см², в каждой точке интенсивности лазерного излучения.

По спектрам комбинационного рассеяния света кремния, например, по сдвигу интенсивности Стоксовой компоненты линии спектра материала, например линии кремния 521 см^-1 определяют температуру нагрева вокселей А:В.

Спектры комбинационного рассеяния света в диапазоне от -2000 см^-1 до 2000 см^-1 регистрируют, например, на спектрометре Ntegra Spectra, со спектральным разрешением 0,1 см^-1 с использованием решеток Эшелле, что позволяет определять температуру нагрева с точностью 5 К. Время снятия одного спектра составляет 5 с. Модуль подготовки излучения 7 (Фиг.2) оптически сопряжен с модулем преобразования излучения 8. Модуль фокусировки (объектив) 9 фокусирует излучение на плазмонную метаповерхность. Сфокусированное лазерное излучение освещает плазмонную метаповерхность 1, которая лежит на пьезосканере 10. При этом плазмонная метаповерхность 1 оптически сопряжена с модулем формирования излучения для регистрации 11 и модулем приема излучения 12. Модуль формирования излучения для регистрации 11 в общем виде формирует рассеянное излучение для его эффективного детектирования в дальнем поле.

Каждая наноструктура из нитрида титана плазмонной метаповерхности генерирует тепло под действием непрерывного лазерного излучения в условиях плазмонного резонанса, а наноструктура из кремния ограничивает диффузию тепла от плазмонной наноструктуры в кремниевую подложку, поскольку тепло в наноструктуре из кремния распространяется в одном направлении - по высоте, что задерживает отток тепла и сохраняет его в плазмонной наноструктуре; при этом чем больше высота наноструктуры из кремния, тем большее значение температуры нагрева достигается.

График на Фиг.3 демонстрирует, что чем больше высота кремниевой наноструктуры, тем большее значение температуры нагрева достигается при фиксированной интенсивности лазерного излучения. Данный пример подтверждает возможность управления температурой нагрева вокселей А:В плазмонной метаповерхности за счет изменения высоты наноструктуры В при фиксированной интенсивности лазерного излучения, а значит подтверждает возможность создания управляемого температурного профиля на основе плазмонной метаповерхности, представляющей массив вокселей А:В. Кроме того, данный пример подтверждает возможность управления нагревом как путем изменения интенсивности лазерного излучения, так и при фиксированной интенсивности лазерного излучения в случае, когда теплопроводность подложки значительно превышает теплопроводность плазмонной наноструктуры k_s/k_m<1, поскольку k_TiN= 29 Вт/мK, k_Si=148 Вт/мK.

Пример 2. Создание управляемого субволнового температурного профиля на основе плазмонной метаповерхности с материалом подложки - кремний, материалом наноструктуры А - нитрид титана, различной высотой наноструктуры В и фиксированной интенсивностью лазерного излучения (Фиг. 4).

Берут две плазмонные метаповерхности, изготовленные по описанной выше методике, с подложкой, например, в форме квадрата, изготовленной, например, из кремния, размером, например, 2х2 см и толщиной, например, 500 мкм.

Первая метаповерхность (а) представляет собой массив вокселей А:В, где плазмонные наноструктуры (наноструктуры А), выполнены в форме, например, цилиндров, диаметром, например, 200 нм и высотой, например, 50 нм, и изготовлены, например, из нитрида титана. Наноструктуры В при этом отсутствуют. Форма плазмонной метаповерхности приведена на Фиг.1б. На Фиг. 4а представлено реальное изображение плазмонной метаповерхности (а), полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии.

Вторая метаповерхность (б) представляет собой массив вокселей А:В, где плазмонные наноструктуры (наноструктуры А), выполнены в форме, например, цилиндров, диаметром, например, 200 нм и высотой, например, 50 нм, и изготовлены, например, из нитрида титана. Наноструктуры В при этом изготовлены из кремния, где кремниевые наноструктуры выполнены в форме, например, цилиндра, диаметром, например, 200 нм и высотой 770 нм. При этом все воксели TiN:Si (общей высотой 820 нм) расположены на кремниевой подложке. Форма плазмонной метаповерхности приведена на Фиг.1б. На Фиг. 4б представлено реальное изображение плазмонной метаповерхности (б), полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии.

Обе метаповерхности, при этом находятся в воздушной среде (теплопроводность воздуха k_воздух=0,022 Вт/мК). На обе метаповерхности подают непрерывное лазерное излучение в одинаковых условиях, например, на длине волны 633 нм с апертурой 0,9 с интенсивностью 5 МВт/см². Измерения температуры нагрева вокселей плазмонной метаповерхности проводятся по Примеру 1.

Под действием непрерывного лазерного излучения на поверхности плазмонной метаповерхности создается субволновой температурный профиль, пространственный масштаб которого определяется размерами наноструктуры из нитрида титана (наноструктуры А). Для визуализации субволнового температурного профиля, создаваемого плазмонными метаповерхностями (а) и (б) под действием непрерывного лазерного излучения строились температурные карты для обеих метаповерхностей по спектрами комбинационного рассеяния света кремниевых наноструктур (наноструктур В), например, по сдвигу Стоксовой компоненты линии кремния 521 см^-1. Температурная карта, построенная для плазмонной метаповерхности (а) демонстрирует комнатную температуру, или, другими словами, отсутствие нагрева (Фиг. 4в). Это связано с тем, что тепло, генерируемое в наноструктуре из нитрида титана, полностью диффундирует в кремниевую подложку. Субволновой тепловой контраст отсутствует из-за малых температурных градиентов вблизи наноструктуры из TiN в случае плазмонной метаповерхности (а). Температурная карта, построенная для плазмонной метаповерхности (б) демонстрирует субволновую локализацию тепла с максимальным значением температуры 1000 К (Фиг.4г). При этом пространственный масштаб нагрева составляет около 500 нм.

Температурные карты, построенные для плазмонных метаповерхностей (а) и (б), демонстрируют реализацию заявленного способа создания управляемого субволнового температурного профиля на основе плазмонной метаповерхности путем изменения высоты наноструктуры В. Кроме того, данный пример, а именно температурная карта, построенная для плазмонной метаповерхности (б), подтверждает возможность создания управляемого субволнового температурного профиля при фиксированной интенсивности лазерного излучения в средах, теплопроводность которых значительно превышает теплопроводность плазмонного материала k_s/k_m<1, поскольку k_TiN= 29 Вт/мK, k_Si=148 Вт/мK. При этом пространственный масштаб нагрева составляет нанометровый (субволновой) масштаб.

Пример 3. Создание управляемого субволнового температурного профиля в наноразмерном материале - тонкой полимерной пленке (ПММА-ДР1) на основе плазмонной метаповерхности с материалом подложки - кремний, материалом наноструктуры А - нитрид титана (Фиг. 5).

Берут плазмонную метаповерхность, изготовленную по описанной выше методике, с подложкой, например, в форме квадрата, изготовленной, например, из кремния, размером, например, 2х2 см и толщиной, например, 500 мкм.

Плазмонная метаповерхность представляет собой массив вокселей А:В, где плазмонные наноструктуры (наноструктуры А), выполнены в форме, например, цилиндров, диаметром, например, 200 нм и высотой, например, 50 нм, и изготовлены, например, из нитрида титана. Наноструктуры В при этом изготовлены из кремния, где кремниевые наноструктуры выполнены в форме, например, цилиндра, диаметром, например, 200 нм и высотой 100 нм и 250 нм. При этом все воксели TiN:Si расположены на кремниевой подложке. Форма плазмонной метаповерхности приведена на Фиг.1б. На Фиг. 5а представлено реальное изображение плазмонной метаповерхности, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии.

На плазмонной метаповерхности создается, например, тонкая полимерная пленка ПММА-ДР1 (poly[(methyl methacrylate)-co-(Disperse Red 1 methacrylate)) толщиной, например, 100 нм. Температура стеклования полимера ПММА-ДР1 составляет 108°С. Создание тонкой полимерной пленки на плазмонной метаповерхности осуществляется следующим образом. Исходные гранулы полимера ПММА-ДР1 с концентрацией, например, 1 мас. % растворяется, например, в 5 мл хлороформа. Используется растворитель аналитической чистоты. Капля, например, 0,2 мкл ПММА-ДР1 наносится на плазмонную метаповерхность. Тонкая полимерная пленка получается, например, методом центрифугирования, например 1 мкл раствора полимера на метаповерхности при скороксти, например, 3000 об/мин в течение 2 минут. Для удаления остатков растворителя пленка полимера отжигается при температуре, превышающей температуру стеклования на 10°С, и давлении 10 мбар в течение 2 часов. Таким образом создается тонкая полимерная пленка ПММА-ДР1 на плазмонной метаповерхности толщиной 100 нм. На Фиг. 5б представлено реальное изображение плазмонной метаповерхности с тонкой полимерной пленкой ПММА-ДР1, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии.

На метаповерхность без тонкой полимерной пленки и метаповерхность с тонкой полимерной пленкой подают непрерывное лазерное излучение в одинаковых условиях, а именно, например, на длине волны 633 нм с апертурой 0,9 и интенсивностью, например, 5 МВт/см². Измерения температуры нагрева вокселей плазмонной метаповерхности и полимерной пленки проводятся по Примеру 1.

Под действием непрерывного лазерного излучения на поверхности плазмонной метаповерхности создается субволновой температурный профильм, пространственный масштаб которое определяется размерами наноструктуры из нитрида титана (наноструктуры А). Для визуализации субволновых температурных профилей, создаваемых плазмонной метаповерхностью без тонкой полимерной пленки и метаповерхностью с тонкой полимерной пленкой под действием непрерывного лазерного излучения, по сдвигу Стоксовой компоненты линии кремния 521 см^-1 строились температурные карты. Температурная карта, построенная для плазмонной метаповерхности без полимерной пленки (в воздушной среде с теплопроводностью k_воздух=0,022 Вт/мK), демонстрирует субволновой нагрев с максимальным изменением температуры на 150 K (Фиг.5в). Температурная карта, построенная для плазмонной метаповерхности с тонкой полимерной пленкой ПММА-ДР1 (в полимерной среде с теплопроводностью k_{ПММА-ДР1}=0,19 Вт/мK), демонстрирует ярко выраженные участки с максимальным изменением температуры около 200 K с пространственным масштабом около 500 нм, что демонстрирует субволновой температурный профиль в наноразмерном полимере (Фиг.5г).

Таким образом, температурные карты, построенные для плазмонных метаповерхностей с одинаковыми массивами вокселей А:В, освещаемых в одинаковых условиях непрерывным лазерным излучением, но находящихся в различных средах (воздух и полимер), демонстрируют различную температуру нагрева, что подтверждает тот факт, что температура нагрева вокселей А:В определяется балансом между мощностью, поглощенной плазмонными наноструктурами А под действием лазерного излучения, и механизмом теплопроводности с окружающей средой. Температурные карта, построенная для плазмонной метаповерхности с тонкой полимерной пленки ПММА-ДР1 демонстрирует применение заявленного технического решения, а именно создание управляемого субволнового температурного профиля на основе плазмонной метаповерхности в исследуемом материале.

Примеры 4-11. Создание управляемого субволнового температурного профиля на основе плазмонной метаповерхности с различными материалами и размерами подложки и наноструктур А и В (Таблица на Фиг.6).

Проводят последовательность действий по Примеру 1, отличающуюся тем, что берут различные материалы и размеры подложки и наноструктур А и В.

Результаты приведены в Таблице на Фиг.6.

Из данных, приведенных в Таблице, можно сделать вывод, что заявителем достигнут заявленный технический результат, а именно:

- создание управляемого субволнового температурного профиля при фиксированной интенсивности непрерывного лазерного излучения, величина которой не ограничена какими-либо значением, реализуемое за счет изменения высоты наноструктуры В (наноструктуры из материала аналогичного подложке) вокселя А:В, при этом чем выше наноструктура В, тем выше температура нагрева вокселя, при этом высота наноструктуры В (наноструктуры из материала аналогичного подложке) вокселя А:В задает рабочий диапазон температур нагрева вокселя А:В (высота наноструктуры В определяет максимальную температуру нагрева вокселя), в рамках которого управление температурой осуществляется путем изменения интенсивности лазерного излучения, при этом температура нагрева вокселей А:В определяется балансом между мощностью, поглощенной плазмонными наноструктурами А под действием лазерного излучения, и механизмом теплопроводности с окружающей средой;

- обеспечение возможности создания управляемого субволнового температурного профиля в средах, теплопроводность которых значительно превышает теплопроводность плазмонного материала (k_s/k_m>1).

Пример 12. Детектирование температуры плавления наноразмерного материала (полимера ПММА-ДР1) с использованием заявленного технического решения (плазмонной метаповерхности с материалом подложки - кремний, материалом наноструктуры А - нитрид титана) для создания субволнового температурного профиля в тонкой полимерной пленке ПММА-ДР1 (Фиг. 7).

Берут плазмонную метаповерхность, изготовленную по описанной выше методике, с подложкой, например, в форме квадрата, изготовленной, например, из кремния, размером, например, 2х2 см и толщиной, например, 500 мкм.

Плазмонная метаповерхность представляет собой массив вокселей А:В, где плазмонные наноструктуры (наноструктуры А), выполнены в форме, например, цилиндров, диаметром, например, 200 нм и высотой, например, 50 нм, и изготовлены, например, из нитрида титана. Наноструктуры В при этом изготовлены из кремния, где кремниевые наноструктуры выполнены в форме, например, цилиндра, диаметром, например, 200 нм и высотой 250 нм. При этом все воксели TiN:Si расположены на кремниевой подложке. Форма плазмонной метаповерхности приведена на Фиг.1б. Проводят последовательность действий по Примеру 1, отличающуюся тем, что на плазмонной метаповерхности создают тонкую полимерную пленку ПММА-ДР1 (poly[(methyl methacrylate)-co-(Disperse Red 1 methacrylate)), толщиной, например, 100 нм, например, методом центрифугирования по Примеру 3. Температура плавления объемного полимера ПММА-ДР1 составляет около 160°С.

Температура плавления наноразмерного полимера ПММА-ДР1 определяется с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света. Схема устройства для определения температуры плавления наноразмерного материала на основе плазмонной метаповерхности с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света приведена на Фиг. 2.

На плазонную метаповерхность с наноразмерным материалом подают непрерывное лазерное излучение с интенсивностью, например, 5 МВт/см² и длиной волны 633 нм, попадающей в область плазмонного резонанса плазмонных наноструктур из нитрида титана, например, размером 200х200 нм и высотой 50 нм. При этом под действием непрерывного лазерного излучения вокселями TiN:Si в наноразмерном полимерном материале создается субволновой температурный профиль. Воксели TiN:Si с наноструктурой из кремния высотой 250 нм задают максимальную температуру нагрева для полимерной пленки ПММА-ДР1 толщиной100 нм около 180°C, что превышает температуру плавления объемного полимера ПММА-ДР1. При этом управление температурой нагрева в заданном диапазоне (от 0°C до 180°C) осуществляется путем изменения интенсивности лазерного излучения (0-5 МВт/см²). В результате в тонкой полимерной пленке ПММА-ДР1 толщиной 100 нм создается управляемый субволновой температурный профиль с изменением температуры в диапазоне от 0°C до 180°C, что позволяет измерять температуру плавления в полимерной пленке с высоким пространственным разрешением, которое определяется размерами нагреваемой области (около 500 нм) и имеет нанометровый масштаб.

При этом удаленно (без воздействия на исследуемый наноразмерный материал ПММА) измеряют спектры комбинационного рассеяния света в каждой точке температуры нагрева исследуемого наноразмерного материала ПММА-ДР1. Все измерения проводят по Примеру 1. Температуру нагрева наноразмерного материала определяется с помощью термометрии комбинационного рассеяния света [S. Xuac, A. Fanb, H. Wang, X. Zhang, X. Wang. Raman-based nanoscale thermal transport characterization: a critical review. Int. J. Heat Mass Transfer, 2020, 154, 119751].

Для определения температуры плавления наноразмерной полимерной пленки ПММА-ДР1 толщиной 100 нм строят график температурной зависимости спектроскопической характеристики линии спектра комбинационного рассеяния света полимера ПММА-ДР1, а именно интенсивности линии 1340 см^-1, что соответствует колебаниям s-NO₂ группы (Фиг.7). В линейном режиме интенсивность Стоксовой линии пропорциональна интенсивности лазерной накачки. В области температуры плавления наблюдается резкое уменьшение интенсивности линии КРС, которое связано с плавлением полимер. При плавлении полимер на вокселе начинает растекаться, что приводит к истощению полимера и, следовательно, к снижению интенсивности линии комбинационного рассеяния света. Измеренная данным образом температура плавления полимера ПММА-ДР1 составила T_пл=145±5°С.

Таким образом, данный пример демонстрирует конкретный пример применения заявленного технического решения для определения температуры плавления наноразмерных материалов с высоким пространственным разрешением. Плазмонная метаповерхность позволяет создавать управляемый субволновой температурный профиль в исследуемом материале с масштабом около 500 нм, благодаря чему возможно определение температуры фазовых переходов (плавления) с высоким пространственным разрешением.

Из Примеров 1-12 можно сделать вывод, что заявленным способом возможно создание управляемого субволнового температурного профиля на основе плазмонной метаповерхности.

Заявленное техническое решение возможно использовать в различных областях техники, где существует потребность в элементах и системах, которые могут обеспечить точную локальную избирательность управляемого нагрева на наномасштабе. Такие элементы и системы могут быть использованы в производстве наноразмерных устройств.

Например:

- при разработке термоплазмонных сенсоров для наномасштабного зондирования фазовых переходов [Kharintsev, S. S.; Chernykh, E. A.; Shelaev, A. V.; Kazarian, S. G. Nanoscale Sensing Vitrification of 3D Confined Glassy Polymers Through Refractory Thermoplasmonics. ACS Photonics 2021, 8 (5), 1477-1488; Nugroho, F. A. A.; Albinsson, D.; Antosiewicz, T. J.; Langhammer, C. Plasmonic Metasurface for Spatially Resolved Optical Sensing in Three Dimensions. ACS Nano 2020, 14 (2), 2345-2353], где требуется устройство, позволяющее создавать управляемый нагрев исследуемого материала на наномасштабе.

- при разработке тепловых металинз для субволновой визуализации объектов [Miyata, M.; Nemoto, N.; Shikama, K.; Kobayashi, F.; Hashimoto, T. Full-color-sorting Metalenses for High-Sensitivity Image Sensors. Optica 2021, 8 (12), 1596-1604; W.J. Padilla, R.D. Averitt. Imaging with metamaterials. Nature Reviews Physics, 2022, 4, 85-100], где плазмонная метаповерхность позволяет улучшить обнаружение света на наномасштабе, а значит позволяет получать информацию без оптических потерь и тем самым повышает чувствительность датчика изображения.

- в термических процессах, таких как полимеразная цепная реакция (ПЦР) для быстрого оптического термоциклировани [Son, J. H.; Cho, B.; Hong, S.; Lee, S. H.; Hoxha, O.; Haack, A. J.; Lee, L. P. Ultrafast Photonic PCR. Light-Sci. Appl. 2015, 4, e280.] и различных термоэлектромеханических системах, включающих механическое движение или электрическую активность, создаваемую источником локализованного тепла на наномасштабе.

- использование в качестве нанонагревателей для запуска каталитических реакций на наномасштабе [Cao, L. Y.; Barsic, D. N.; Guichard, A. R.; Brongersma, M. L. Plasmon-Assisted Local Temperature Control to Pattern Individual Semiconductor Nanowires and Carbon Nanotubes. Nano Lett. 2007, 7 (11), 3523-3527; Naldoni, A.; Kudyshev, Z. A.; Mascaretti, L.; Sarmah, S. P.; Rej, S.; Froning, J. P.; Tomanec, O.; Yoo, J. E.; Wang, D.; Kment, S.; Montini, T.; Fornasiero, P.; Shalaev, V. M.; Schmuki, P.; Boltasseva, A.; Zboril, R. Solar Thermoplasmonic Nanofurnace for High-Temperature Heterogeneous Catalysis. Nano Lett. 2020, 20 (5), 3663-3672].

- в биоинтерфейсах для нейромодуляции с тепловым рисунком [Kang, H.; Lee, G. H.; Jung, H.; Lee, J. W.; Nam, Y. Inkjet-Printed Biofunctional Thermo-Plasmonic Interfaces for Patterned Neuromodulation. ACS Nano 2018, 12 (2), 1128-1138], где термоплазмонные интерфейсы на основе струйной печати позволяют модулировать биологическую активность нейронных сетей.

- в широкополосных поглотителях большой площади для солнечной термофотоэлектроэнергетики [Chirumamilla, M.; Chirumamilla, A.; Yang, Y. Q.; Roberts, A. S.; Kristensen, P. K.; Chaudhuri, K.; Boltasseva, A.; Sutherland, D. S.; Bozhevolnyi, S. I.; Pedersen, K. Large-Area Ultrabroadband Absorber for Solar Thermophotovoltaics Based on 3D Titanium Nitride Nanopillars. Adv. Opt. Mater. 2017, 5 (22), 1700552].

- в аналоговых вычислениях на основе тепловых метаповерхностях [Li, Y.; Li, W.; Han, T. C.; Zheng, X.; Li, J. X.; Li, B. W.; Fan, S. H.; Qiu, C. W. Transforming Heat Transfer with Thermal Metamaterials and Devices. Nat. Rev. Mater. 2021, 6, 488-507; ilva, A.; Monticone, F.; Castaldi, G.; Galdi, V.; Alu, A.; Engheta, N. Performing Mathematical Operations with Metamaterials. Science 2014, 343, 160-163; Maldovan, M. Sound and Heat Revolutions in Phononics. Nature 2013, 503 (7475), 209-217].

- в структуре поверхностных покрытий дорог в качестве локализованных источников тепла для создания фототермического эффекта под действием света с целью защиты дорожного покрытия от обледенения [B. Wang, P. Yu, Q. Yang, Z. Jing, W. Wang, P. Li, X. Tong, F. Lin, D. Wang, G.E. Lio, R. Caputo, O. Avalos-Ovando, A.O. Govorov, H. Xu, Z.M. Wang. Upcycling of biomass waste into photothermal superhydrophobic coating for efficient anti-icing and deicing. Materials Today Physics, 2022, 24, 100683]

- в тепловой нанолитографии для формирования структур из коллоидных наночастиц под действием тепла [C.M. Jin, W. Lee, D. Kim, T. Kang, I. Choi. Photothermal Convection Lithography for Rapid and Direct Assembly of Colloidal Plasmonic Nanoparticles on Generic Substrates. Small. 2018, 14, 1803055].

Из результатов, приведенных в Примерах 1-12, можно сделать вывод, что заявителем достигнут заявленный технический результат, а именно: разработан способ создания управляемого субволнового температурного профиля с помощью плазмонной метаповерхности, устраняющий недостатки перечисленных выше аналогов и обеспечивающих получение улучшенных характеристик:

- создание управляемого субволнового температурного профиля при фиксированной интенсивности непрерывного лазерного излучения, величина которой не ограничена какими-либо значением, реализуемое за счет изменения высоты наноструктуры В (наноструктуры из материала аналогичного подложке) вокселя А:В, при этом чем выше наноструктура В, тем выше температура нагрева вокселя, при этом высота наноструктуры В (наноструктуры из материала аналогичного подложке) вокселя А:В задает рабочий диапазон температур нагрева вокселя А:В (высота наноструктуры В определяет максимальную температуру нагрева вокселя), в рамках которого управление температурой осуществляется путем изменения интенсивности лазерного излучения, при этом температура нагрева вокселей А:В определяется балансом между мощностью, поглощенной плазмонными наноструктурами А под действием лазерного излучения, и механизмом теплопроводности с окружающей средой - см. Пример 1-3, 12;

- обеспечение возможности создания управляемого субволнового температурного профиля в средах, теплопроводность которых значительно превышает теплопроводность плазмонного материала (k_s/k_m>1) - см. Примеры 1-12.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как из исследованного заявителем уровня техники не выявлена совокупность признаков, приведенная в независимом пункте формулы изобретения.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, так как из исследованного заявителем уровня техники не выявлена совокупность приведенных в независимых пунктах формулы изобретения признаков и совокупность полученных технических результатов.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, так как заявленное техническое решение возможно реализовать в промышленности посредством применения известных из уровня техники материалов, оборудование и технологий.

Изобретение относится к области термоплазмоники. Сущностью заявленного технического решения является способ создания управляемого субволнового температурного профиля, заключающийся в том, что берут плазмонную метаповерхность, подают на нее непрерывное лазерное излучение, под действием которого плазмонные наноструктуры генерируют тепло и упорядоченный массив вокселей А:В плазмонной метаповерхности становится системой точечно распределенных источников тепла на наномасштабе. При этом максимальное значение температуры нагрева вокселей А:В задается высотой наноструктуры В, а интенсивность лазерного излучения позволяет управлять температурой в задаваемом высотой наноструктуры В диапазоне рабочих температур. При этом температура нагрева вокселей А:В определяется балансом между мощностью, поглощенной плазмонными наноструктурами А под действием лазерного излучения, и механизмом теплопроводности с окружающей средой. При этом под действием непрерывного лазерного излучения на поверхности плазмонной метаповерхности создается субволновой температурный профиль, пространственный масштаб которого определяется размерами наноструктуры А. Далее измеряют спектры комбинационного рассеяния света вокселей А:В – материала наноструктуры А или материала наноструктуры В при определенном значении интенсивности лазерного излучения. Далее по спектрам комбинационного рассеяния света определяют температуру нагрева вокселей А:В и субволновой температурный профиль, создаваемый ими, с помощью термометрии комбинационного рассеяния света. Также заявлена плазмонная метаповерхность для реализации указанного способа, содержащая подложку произвольной формы, материал которой выбран из ряда: кремний, оксид кремния, оксид алюминия. На поверхность подложки напылен слой нитрида металла переходной группы из ряда: нитрид титана, нитрид циркония, нитрид гафния, в виде тонкой пленки толщиной в диапазоне от 10-500 нм. Из слоя нитрида металла переходной группы сформирован упорядоченный массив плазмонных наноструктур А одинаковой формы и одинакового размера в диапазоне: латеральный размер 10-500 нм, высота 10-500 нм. Из подложки сформирован упорядоченный массив наноструктур В одинаковой формы и одинакового размера в диапазоне: латеральный размер 10-500 нм, высота 1-1000 нм. При этом наноструктуры А и В уложены друг на друга и представляют собой упорядоченный массив вокселей – структур А:В. Технический результат – создание управляемого субволнового температурного профиля при фиксированной интенсивности непрерывного лазерного излучения и обеспечение возможности создания управляемого субволнового температурного профиля в средах, теплопроводность которых значительно превышает теплопроводность плазмонного материала. 2 н.з. ф-лы, 7 ил.

1. Способ создания управляемого субволнового температурного профиля, заключающийся в том, что берут плазмонную метаповерхность, подают на нее непрерывное лазерное излучение, под действием которого плазмонные наноструктуры генерируют тепло и упорядоченный массив вокселей А:В плазмонной метаповерхности становится системой точечно распределенных источников тепла на наномасштабе, при этом максимальное значение температуры нагрева вокселей А:В задается высотой наноструктуры В, при этом интенсивность лазерного излучения позволяет управлять температурой в задаваемом высотой наноструктуры В диапазоне рабочих температур, а интенсивность лазерного излучения не ограничена каким-либо определенным значением, при этом чем выше интенсивность непрерывного лазерного излучения, тем выше температура нагрева вокселей А:В, при этом температура нагрева вокселей А:В определяется балансом между мощностью, поглощенной плазмонными наноструктурами А под действием лазерного излучения, и механизмом теплопроводности с окружающей средой, при этом чем выше наноструктура В, тем больше значение максимальной температуры нагрева вокселя А:В при фиксированном значении интенсивности лазерного излучения, которое не ограниченно каким-либо значением, при этом под действием непрерывного лазерного излучения на поверхности плазмонной метаповерхности создается субволновой температурный профиль, пространственный масштаб которого определяется размерами наноструктуры А,

далее измеряют спектры комбинационного рассеяния света вокселей А:В – материала наноструктуры А или материала наноструктуры В, при определенном значении интенсивности лазерного излучения,

далее по спектрам комбинационного рассеяния света определяют температуру нагрева вокселей А:В и субволновой температурный профиль, создаваемый ими, с помощью термометрии комбинационного рассеяния света.

2. Плазмонная метаповерхность для реализации способа по п.1, содержащая

подложку произвольной формы, материал которой выбран из ряда: кремний, оксид кремния, оксид алюминия;

на поверхность подложки напылен слой нитрида металла переходной группы из ряда: нитрид титана, нитрид циркония, нитрид гафния, в виде тонкой пленки толщиной в диапазоне от 10-500 нм;

из слоя нитрида металла переходной группы сформирован упорядоченный массив плазмонных наноструктур А одинаковой формы и одинакового размера в диапазоне: латеральный размер 10-500 нм, высота 10-500 нм;

из подложки сформирован упорядоченный массив наноструктур В одинаковой формы и одинакового размера в диапазоне: латеральный размер 10-500 нм, высота 1-1000 нм;

при этом наноструктуры А и В уложены друг на друга и представляют собой упорядоченный массив вокселей – структур А:В.