Плазмонный датчик на основе диэлектрических нанопризм

Фон

Использование поверхностных плазмонных резонансов (SPR) для оптического зондирования привлекло большое внимание, поскольку они обеспечивают устройства без этикеток для биомедицины и материаловедения. Эти датчики работают с процедурами спектрального или углового опроса [1–5], а некоторые из них используют колориметрические изменения, обнаруживаемые зрительной системой человека [6, 7]. Базовая установка для возбуждения поверхностных плазмонных резонансов - классическая конфигурация Кречмана. [8], где свет падает под заданным углом на тонкий металлический лист из диэлектрической прозрачной призмы, которая находится в прямом контакте с металлическим слоем [9]. В конфигурации Отто также используется призма, но теперь металлический слой отделен от призмы тонким пространством, в котором имеет место плазмонный резонанс [10]. Вариант предыдущих классических конфигураций использует полусферическую линзу и решетку, которая связывает излучение на границе раздела плазмонного резонанса [11]. Выходной сигнал установки Крестшмана зависит от условия согласования волнового вектора, которое должно выполняться для заданного угла падения на границе раздела металл-диэлектрик. Это условие можно записать как

где n _P is - показатель преломления призмы, а β ^SP - постоянная распространения поверхностного плазмона, генерируемого под углом падения θ _r [12, 13]. Угол падения обычно довольно велик, что иногда ограничивает рабочий диапазон и легкость управления устройством. Чтобы преодолеть эти ограничения, в литературе было проанализировано несколько предложений по интегрированным датчикам SPR. Например, очень узкие бороздки на тонких металлических пленках возбуждают ППР в условиях нормального падения [14]. Однако очень узкая ширина канавок в диапазоне 3 нм может поставить под угрозу изготовление устройства. Аналогичный подход, который достигается экспериментально, - это возбуждение ППР с использованием узких металлических нанополостей [15]. Другой подход был продемонстрирован теоретически с использованием металлических решеток, встроенных в стеклянную подложку, с получением спектральных коэффициентов отражения, показывающих острые провалы шириной или около 3 нм [16]. Эти подходы допускают нормальные условия падения, и теперь метод опроса основан на спектральном изменении отраженного света. Вот почему очень важны четкие спектральные характеристики для улучшения характеристик этих датчиков. Мы выбрали спектральную отражательную способность, чтобы можно было считывать сигнал со стороны падения. Увеличение оптического поглощения, создаваемое плазмонными наноструктурами, возбуждаемыми при нормальных условиях падения, также является альтернативой конфигурации Кречмана. Этот подход использует поглощение в качестве чувствительного параметра для фото-обнаружения [17, 18].

В этой статье мы предлагаем поддерживать нормальные условия падения падающего света и использовать воронкообразные механизмы в диэлектрических структурах, чтобы направлять свет в места, где генерируется SPR. Диэлектрические решетки с высоким аспектным отношением (HARDG) были предложены для направления света в активные слои фотоэлектрических элементов [19]. Та же концепция применима к чувствительным устройствам, перенаправляющим свет к интересующей границе раздела металл-диэлектрик. В этой статье мы предлагаем использовать нанопризмы, встроенные в диэлектрическую подложку, которая является плоской и примыкает к слою металл-диэлектрик, используемому для измерения посредством возбуждения ППР. Эта структура более эффективно направляет входящее излучение, и, следовательно, плазмонный резонанс выигрывает от увеличения энергии, достигающей интересующей плоскости. Предлагаемые устройства работают лучше, чем аналогичные конструкции, и имеют геометрические размеры и расположение материалов, которые осуществимы и могут быть изготовлены с использованием стандартных методов нанопроизводства.

Методы

Геометрия предложенной конструкции представлена ​​на рис. 1а. Свет обычно падает на вершину массива равнобедренных нанопризм. Мы рассматриваем MgF ₂ подложка, которая может быть травленой или узорчатой, с периодическими продольными канавками, имеющими желаемую треугольную форму [20, 21]. Эти канавки заполнены оксидом алюминия и цинка (AZO). Этот материал может быть нанесен методом центрифугирования на подложку с наноразмерным рисунком для создания плоской поверхности раздела для осаждения тонкой металлической пленки, например золота, для обеспечения хорошей биосовместимости. Наконец, мы рассмотрели воду в качестве тестируемой среды, чтобы имитировать условия биопроб. Оптические константы для материалов были получены из [22] для MgF ₂ , [23] для AZO и [24] для золота. Этот выбор материалов руководствовался первым анализом осуществимости устройства с точки зрения производственных ограничений. Распределение индекса подходит при рассмотрении соответствия между субстратом с низким индексом (MgF ₂ ) и буферный слой с высоким индексом (AZO). Надежность оптических констант является ключевым фактором при анализе достоверности численной модели. Уточнение вычислительной модели должно потребовать описания материалов, изготовленных с использованием той же технологии и конструкции, которые использовались для изготовления устройств. Поскольку мы анализируем параметрическую оптимизацию устройства, мы извлекаем оптические константы из часто используемых эталонов для каждого материала. В случае золота значения из справочника [24] широко использовались в литературе для анализа подобных устройств [1, 13, 25].

а Принципиальная схема предлагаемой конструкции и б усредненный по времени поток мощности на λ =758 нм для предлагаемой структуры без металлического слоя, где показан механизм воронки

Предлагаемое расположение материалов усиливает эффект воронки, уже наблюдаемый в некоторых HARDG. Эффекты воронки и направления в HARDG направляют излучение к тонкой металлической пленке, где генерируется SPR.

Предварительный анализ рассматривает плоскую TM-волну, обычно падающую на структуру со стороны подложки, без включения металлического слоя. Амплитуда падающего электрического поля составляет 1 В / м. Результаты для этой структуры (см. Рис. 1b) показывают, как свет направляется через призму, достигая области, где граница раздела металл-диэлектрик генерирует ППР. Имеющееся в этой области поле сильнее, чем в классической установке Кречмана. Эта конфигурация показывает очень сильный плазмонный резонанс на некоторых конкретных длинах волн, определяемых геометрическими параметрами структуры. Кроме того, геометрия устройства и выбор материалов имеют большое значение для правильной эксплуатации устройства. Геометрия системы определяется толщиной буферного и металлического слоев t _BL и t _M , а также параметрами, определяющими нанопризма (ширина и высота, w _G и H ), и его пространственная периодичность, P . Трехмерная форма нанопризмы выдавлена ​​из двухмерной конструкции (см. Рис. 1а). Область призмы разделена на две части, A и B, определяющие массив канавок и плоскопараллельный буферный слой. Эти две области могут быть изготовлены из одного и того же материала или из двух материалов. Эти две конфигурации будут давать различное спектральное поведение.

Анализ производительности этого устройства выполнен пакетом вычислительного электромагнетизма (COMSOL Multiphysics) на основе метода конечных элементов. Модель COMSOL была положительно проверена путем оценки поведения классической конфигурации Кречмана и сравнения численных результатов с аналитическим решением [12]. Результаты, полученные в результате вычислений, были использованы для оптимизации конструкции с двумя основными целями:увеличить амплитуду поля в месте, где генерируется SPR (граница раздела металл-вода), и уменьшить ширину провала отражательной способности, связанного с резонансом. Этот резонанс параметризуется полной шириной на полувысоте (FWHM) отражательной способности.

Фактически, большинство датчиков SPR работают как рефрактометры, потому что они очень хорошо чувствуют изменение показателя преломления анализируемой среды. В этом случае чувствительность определяется как [13]:

который описывает смещение спектрального положения минимума отражательной способности, Δ λ , при изменении показателя преломления Δ нет . Чувствительность выражается в нм / RIU, где RIU обозначает единицы показателя преломления. Еще один параметр для сравнения различных сенсорных технологий - это показатель качества (FOM), который определяется как

Этот параметр представляет собой отношение чувствительности к спектральной ширине провала в отражательной способности, и он выражается как 1 / RIU. Этот показатель качества уже учитывает способность данной системы определять данное изменение в местоположении минимума отражательной способности.

Оценка усиления поля в месте расположения анализируемого вещества и коэффициента отражения на полувысоте на пике занимает довольно много времени с использованием специализированных компьютеров. Этот факт затрудняет решение задачи многомерной оптимизации. Кроме того, потребуется определение функции качества, должным образом сочетающей рабочие параметры. Затем мы выбираем по одному параметру за раз, чтобы оптимизировать устройство. Эта стратегия хорошо подходит для понимания того, как каждый геометрический параметр влияет на общую производительность устройства. Кроме того, отслеживая и оптимизируя усиление поля и FWHM спектрального отражения, мы также получаем более высокие значения чувствительности и FOM. После оптимизации мы обнаружили, что геометрические параметры, обеспечивающие лучший отклик, равны t _BL =100 нм, t _M =30 нм, ширина _G =325 нм и H =700 нм и периодичность P =550 нм. Эти значения были получены с учетом производственных ограничений. Вот почему мы рассмотрели шаг 25 нм между последовательными значениями, включенными в оптимизацию. Мы также избегаем использования ультратонких или сверхтолстых слоев, которые могут поставить под угрозу работоспособность устройства.

На рисунке 2а показана карта модуля электрического поля на резонансной длине волны λ . =758 нм для предлагаемой структуры, когда входящий волновой фронт с амплитудой 1 В / м освещает систему. Поляризация соответствует моде TM. Длина волны, используемая для оптимизации, выбирается произвольно и при необходимости может быть сдвинута путем изменения параметра периода P . Чтобы сравнить наши результаты с результатами, полученными для классической конфигурации Кречмана, мы оцениваем ее характеристики, используя ту же длину волны, λ =758 нм, чтобы осветить призму. Затем мы вычисляем угловую зависимость отражательной способности, чтобы получить угол падения, при котором имеет место резонанс для призмы Кречмана, который составляет 66,28 ° для стекло BK7 / Au [50 нм] / вода. Нормированные электрические поля в резонансе для классической установки Кречмана и конфигурации нанопризмы представлены на рис. 2b. Они показывают значительное усиление исчезающего поля в среде анализируемого вещества из-за фокусирующих эффектов (воронки и направления), создаваемых нанопризмой. Это улучшение больше в предлагаемом устройстве, которое работает при нормальных условиях падения. Помимо увеличения поля, полученного с помощью устройства с нанопризмой по сравнению с конфигурацией Крестчмана, мы можем видеть, что плазмонный резонанс распространяется в тестируемой среде на расчетную глубину 180 и 300 нм для установки Кречмана и нашего предложения, соответственно. Следовательно, объем взаимодействия предлагаемой структуры нанопризмы больше, чем в установке Крестчмана.

а Карта модуля электрического поля при λ =758 нм для амплитуды входного электрического поля 1 В / м и поляризации как TM-мода (электрическое поле параллельно карте). б Профиль величины электрического поля вдоль направления распространения для конфигурации Крестчмана ( черная пунктирная линия ) и для устройства нанопризма ( красная сплошная линия )

Значения чувствительности и FOM (уравнения 2 и 3) оцениваются по спектральному поведению отражательной способности при изменении показателя преломления тестируемой среды. На рис. 3а мы построили несколько кривых отражения для разных значений показателя преломления аналита. На рис. 3а показано ухудшение резкости минимума, когда показатель преломления аналита становится ближе к показателю буферного слоя. В этой ситуации, когда используется очень тонкая металлическая пленка, коэффициент отражения становится меньше, поскольку уменьшается разница в показателях преломления. Максимальные значения для S _B и FOM, полученные из фиг. 3b, составляют 250 [нм / RIU] и 100 [1 / RIU] соответственно. Эти значения выше, чем ранее опубликованные результаты для классических конфигураций Кречмана [26–30]. Однако эти значения для обоих S _B и FOM не являются постоянными при изменении показателя преломления аналита [30–33].

а Спектральный коэффициент отражения для оптимальной конструкции, в которой в качестве буферного слоя используется AZO, как функция показателя преломления тестируемой среды. Резкость резонансного пика ухудшается с увеличением показателя преломления. б Чувствительность (левая ось и черная пунктирная линия) и добротность (правая ось и синяя сплошная линия) как функция показателя преломления тестируемой среды

Результаты и обсуждения

В предыдущем процессе оптимизации мы обращали внимание на геометрию устройства. Теперь мы проанализируем, как другой выбор материалов может улучшить характеристики устройства. Для этого мы различаем область нанопризмы и плоскопараллельный слой, отделяющий нанопризму от металлического напыления (участки A и B на рис. 1a). Затем материал нанопризмы по-прежнему изготавливается из AZO для сохранения характеристик воронки и простоты изготовления с использованием методов центрифугирования. В области B заменим AZO на GaP (оптические константы получены из [34]). Это изменение решает проблему ухудшения резкости пика отражательной способности при переходе к более высокому показателю (см. Рис. 3a). При анализе окончательного оптимизированного дизайна мы возобновим это сравнение. Такое поведение хорошо известно для повышения стабильности и надежности датчика.

Следующим материалом для анализа является металл, используемый для генерации ППР. Выбор золота основан на его хорошей биосовместимости. Однако серебро (оптические константы, полученные из [24]) лучше подходит для создания более сильного ППР. Чтобы воспользоваться преимуществами обеих характеристик, мы предлагаем двойное последовательное осаждение для изготовления биметаллического слоя из серебра и золота. На рис. 4а изображены четыре возможных варианта металлического слоя. Коэффициент отражения серебра (красная линия на рис. 4а) показывает более резкий, более узкий и глубокий пик отражения, чем у золота (черная линия на рис. 4а). Пик для серебра расположен на более короткой длине волны, чем резонанс для металлического слоя золота. Спектральный коэффициент отражения для комбинации этих металлов в двухслойной структуре находится между двумя вариантами с одним металлом, показывая лучший резонанс по мере того, как слой золота становится тоньше. Оптимальным решением является бислой из серебра толщиной 25 нм, покрытого золотом толщиной 5 нм. В этом решении сочетаются оба металла с толщиной в диапазоне технологии изготовления.

а Спектральный коэффициент отражения для монометаллического слоя толщиной 30 нм из золота (черный) или серебра (красный) и для биметаллического слоя для двух комбинаций толщин (синего и зеленого). Желтая стрелка выбирает ответ для оптимального расположения (25 нм-Ag / 5 нм-Au). б Спектральные коэффициенты отражения оптимального устройства, использующего буферный слой GaP. Пики показывают одинаковую резкость для трех разных значений показателя преломления. c Чувствительность (левая ось и черная пунктирная линия) и FOM (правая ось и синяя сплошная линия) оптимизированного датчика для расширенного диапазона показателя преломления. Вертикальная линия обозначает предел, проанализированный в предыдущем проекте, где буферный слой был сделан из AZO, а металлический слой - из золота

Для оптимального случая биметаллического слоя, рассмотренного ранее, мы построили на рис. 4б спектральный отклик для нескольких значений показателя преломления. При сравнении спектральных коэффициентов отражения на рис. 3a и 4b, мы также можем проверить, как сохраняется резкость спектрального пика для большего диапазона показателя преломления аналита. Причина такого улучшения - использование GaP при изготовлении буферного слоя устройства. На рисунке 4c показаны значения чувствительности и FOM для оптимизированного устройства, которое содержит биметаллический слой (25 нм серебра / 5 нм золота) и буферный слой GaP. Эти значения выше, чем те, которые представлены на рис. 3б, где у нас был слой монометаллического золота и буферный слой AZO. Рисунок 4c включает вертикальную красную линию, которая сигнализирует о верхнем пределе показателя преломления, где конструкция, проанализированная на рисунке 3, начинает ухудшать резкость пика спектральной отражательной способности. Оптимальная структура имеет максимум S _B =450 нм / RIU, что стабильно в широком диапазоне изменений показателя преломления и соответствует диапазону FOM от 160 до 220 1 / RIU.

Эти значения лучше, чем некоторые недавние предложения, в которых используются графен [28, 30, 35], кремниевые наноструктуры [27], диэлектрические или металлические решетки [26, 29], оксидные пленки [36] и металлические нанопризмы (золото, покрытое серебряными нанопризмами). ) [37]. Когда не работают при нормальном происшествии, некоторые другие плазмонные структуры, такие как золотые грибы, показывают более высокую чувствительность, но более низкий FOM [38].

Выводы

Этот вклад представляет собой форму экструдированной диэлектрической нанопризмы, которая увеличивает доступную мощность для генерации ППР на чувствительной поверхности. Следовательно, SPR распространяется глубже в аналит и, следовательно, увеличивает объем его взаимодействия. Эта характеристика должна снизить предел обнаружения системы. Устройство работает в нормальных условиях воздействия. Это позволяет упростить интеграцию системы освещения и опроса, например, разместив датчик на конце оптического волокна. Производительность системы лучше, чем ранее сообщалось в этой области. Чувствительность показывает плато около 450 нм / RIU для большого диапазона показателя преломления (от 1,33 до 1,39). Показатель качества, FOM, также велик и имеет минимальное значение 160 и максимальное 220 1 / RIU во всем диапазоне показателя преломления от 1,33 до 1,43. Чтобы добиться этих показателей производительности, конструкция была оптимизирована за счет изменения ее геометрических параметров и выбора материала. Мы также рассмотрели материалы, которые могут быть включены в производственную стратегию, включающую нанесение покрытия методом центрифугирования. Это позволяет сглаживать устройство и не мешает условиям согласования показателя преломления. При этой оптимизации мы всегда учитываем возможность изготовления, избегая очень узких функций, которые могут поставить под угрозу устройство. Оптимизация с точки зрения выбора материала заменила AZO на GaP в буферном слое, чтобы расширить диапазон показателя преломления с 1,40 до 1,43. Кроме того, мы разработали размер биметаллического слоя серебро-золото, который использует преимущества хорошего плазмонного отклика серебра и биосовместимости золота. Представленная здесь структура нанопризмы упрощает работу, позволяет использовать нормальную настройку угла падения и может использоваться для биомедицинских, экологических или промышленных применений, связанных с жидкостями.