Диэлектрические нанопризмы для плазмонного сенсора с нормальным падением SPR и повышенной чувствительностью

Аннотация

Представлен плазмонный сенсор, использующий периодический массив вытянутых диэлектрических нанопризм для возбуждения поверхностных плазмонных резонансов (ППР). Геометрия нанопризм фокусирует падающий свет на границе металл-диэлектрик, где диэлектрик служит анализируемой средой. Устройство работает при нормальном падении и опрашивается спектрально. По сравнению с классической схемой Кретшмана, оно обеспечивает более высокую чувствительность и лучший качество-фактор (FOM), оставаясь совместимым со стандартными нанотехнологическими процессами.

Введение

SPR-сенсоры стали краеугольным камнем беспроточного оптического детектирования в биомедицине и материаловедении. Традиционные дизайны используют угловую или спектральную интеррогацию, наиболее распространена конфигурация Кретшмана. В ней свет вводится в тонкую металлическую пленку через высокопреломляющую призму, требуя точного угла падения для выполнения условия согласования волновых векторов:

(2π/λ) n_P sin θ_r = Re[β^SP],

где n_P — показатель преломления призмы, β^SP — постоянная распространения поверхностного плазмон. Необходимость большого угла падения часто ограничивает практичность и интеграционный потенциал сенсора.

Предлагали стратегии нормального падения: узкие металлические желоба, нанокавитации, диэлектрические решетки. Эти дизайны используют спектральные впадины субнанометровой ширины, улучшая FOM. Однако технологические ограничения (например, 3 нм ширина желобов) препятствуют масштабируемости. Альтернатива — диэлектрические структуры, фокусирующие свет на границе металл-диэлектрик. Высокоаспектные диэлектрические решетки (HARDG) направляют свет в активные слои фотоэлементов и могут быть адаптированы для сенсирования.

В этой работе вводится массив нанопризм, направляющий нормально падающий свет к границе металл-диэлектрик, усиливающий эванесцентное поле на сенсорной поверхности. Дизайн полностью совместим со стандартной литографией и спин-коутингом, что привлекательно для быстрого прототипирования и крупносерийного производства.

Методы

Геометрия устройства на рис. 1a. Периодический массив равнобедренных нанопризм вытравлен в подложке MgF₂. Треугольные желоба заполнены оксидом алюминия и цинка (AZO), который можно осадить спин-коутингом, получая плоскую поверхность для последующей металлизации. Тонкая Au-пленка (30 нм) спуттерируется на AZO, образуя плазмонный слой. Вода используется как аналит для моделирования биосенсирования. Оптические константы взяты из баз данных: MgF₂, AZO, Au.

Освещая структуру TM-поляризованной плоской волной со стороны подложки (амплитуда 1 В/м), смоделированный поток мощности (рис. 1b) подтверждает: нанопризмы фокусируют энергию на границе металл-диэлектрик, усиливая локальное поле по сравнению с классической Кретшмановской конфигурацией. Резонансная длина волны настраивается периодом призмы P.

Устройство моделировано в COMSOL Multiphysics методом конечных элементов. Валидация против аналитических решений для Кретшмана подтверждает точность. Оптимизация по двум метрикам: (i) амплитуда поля на границе металл-вода, (ii) полная ширина на полувысоте (FWHM) впадины отражения. Чувствительность (S_B) и FOM определяются как:

S_B = Δλ/Δn (нм/RIU) (Ур. 2)

FOM = S_B/FWHM (1/RIU) (Ур. 3)

Оптимизация дала геометрические параметры: толщина буферного слоя t_BL = 100 нм, толщина металла t_M = 30 нм, ширина призмы w_G = 325 нм, высота H = 700 нм, период P = 550 нм. Эти значения балансируют производительность и реалистичные технологические допуски.

Карты модуля электрического поля при λ=758 нм для TM-поляризации (рис. 2a) и затухание поля вдоль направления распространения для Кретшмана (черные пунктир) и нанопризм (красная сплошная) (рис. 2b). Спектральные кривые отражения (рис. 3a) показывают: нанопризменное устройство сохраняет острый резонанс даже при приближении показателя преломления аналита к показателю буферного слоя. Максимальная чувствительность 250 нм/RIU с FOM 100 1/RIU — превосходит типичные результаты Кретшмана.

Результаты и обсуждение

Для расширения рабочего диапазона показателей преломления буферный слой заменили с AZO на фосфид галлия (GaP) (оптические константы из [34]). Более высокий показатель GaP смягчает деградацию спектрального пика, наблюдаемую с AZO при росте показателя аналита. Материал нанопризм остался AZO для сохранения фокусирующего эффекта.

Серебро обладает лучшими плазмонными свойствами, чем золото, но отсутствие биосовместимости ограничивает применение в биосенсировании. Исследовали биметаллический стек: 25 нм Ag с покрытием 5 нм Au. Рис. 4a показывает: этот бислой дает резонанс, сочетающий остроту серебра с защитным слоем золота. Оптимизированный стек дает спектральную впадину при более короткой длине волны и более узкий FWHM, чем каждый металл по отдельности.

С буфером GaP и бислоем Ag/Au сенсор достигает максимальной чувствительности 450 нм/RIU, стабильной в диапазоне показателей преломления 1,33–1,43. Соответственно, FOM составляет 160–220 1/RIU — превосходит недавние подходы на графене, кремнии, оксидах и металлических нанопризмах.

Заключение

Мы продемонстрировали диэлектрический нанопризменный сенсор, усиливающий локальное поле на границе металл-аналит, обеспечивающий более глубокое проникновение SPR и большие объемы взаимодействия. Архитектура с нормальным падением упрощает интеграцию — например, с волоконно-оптическими зондами — и обеспечивает выдающуюся производительность: плато чувствительности ~450 нм/RIU и FOM 160–220 1/RIU в диапазоне 1,33–1,43 RIU. Материальные оптимизации — буфер GaP и бислой Ag/Au — расширяют рабочий диапазон индексов, сохраняя биосовместимость. Эти атрибуты делают устройство подходящим для биомедицинской диагностики, экологического мониторинга и промышленного сенсирования жидкостей.