基于介质纳米棱柱的等离激元传感器：垂直入射SPR实现高灵敏度

摘要

本文提出一种利用周期性挤出介质纳米棱柱阵列激发表面等离激元共振(SPR)的等离激元传感器。纳米棱柱几何结构将入射光汇聚至金属-介质界面，介质作为分析物介质。器件在垂直入射照明下工作，采用光谱询问。与传统Kretschmann构型相比，该器件提供更高灵敏度和更优优值(FOM)，且兼容标准纳米制造工艺。

研究背景

SPR传感器是生物医学和材料科学无标记光学检测的基石。传统设计依赖角度或光谱询问，Kretschmann构型最广泛：光通过高折射率棱镜耦合入薄金属膜，需精确入射角满足波矢匹配条件。大入射角限制了传感器实用性和集成潜力。已提出多种垂直入射策略：窄金属沟槽、纳米腔、介质光栅等，利用亚纳米级光谱凹陷提高FOM，但制造约束(如3 nm沟槽宽度)阻碍规模化。另一种思路是利用介质结构将光漏斗至金属-介质界面。高纵横比介质光栅(HARDG)可引导光进入光伏有源层，亦可用于传感。本工作引入纳米棱柱阵列引导垂直入射光至金属-介质界面，增强感测表面衰减场。设计完全兼容标准光刻和旋涂技术，利于快速原型和大规模生产。

方法

器件几何结构(图1a)：周期性等腰纳米棱柱刻蚀于MgF₂基底，三角槽填充氧化铝锌(AZO，可旋涂沉积)形成平坦表面溅射金属。30 nm Au膜溅射于AZO上形成等离激元层。水作为分析物模拟生物传感。光学常数取自可靠数据库：MgF₂、AZO、Au。TM偏振平面波从基底侧入射(场幅1 V/m)，模拟功率流(图1b)证实纳米棱柱将能量聚焦于金属-水界面，相对经典Kretschmann构型增强局域场。共振波长可通过棱柱周期P调节。COMSOL有限元法建模，经Kretschmann解析解验证。优化目标：(i)金属-水界面场幅，(ii)反射率凹陷半高全宽(FWHM)。灵敏度S_B和FOM定义为：S_B = Δλ/Δn (nm/RIU)，FOM = S_B/FWHM (1/RIU)。优化得几何参数：缓冲层厚度t_BL=100 nm，金属厚度t_M=30 nm，棱柱宽度w_G=325 nm，高度H=700 nm，周期P=550 nm，平衡性能与制造公差。

结果与讨论

为拓宽工作折射率范围，将缓冲层从AZO替换为磷化镓(GaP，折射率更高)。GaP较高折射率缓解了AZO在分析物折射率增加时的光谱峰退化。纳米棱柱材料保持AZO以维持漏斗效应。Ag等离激元性能优于Au，但生物相容性差限制生物传感应用。因此探索双金属堆叠：25 nm Ag覆盖5 nm Au。图4a显示该双层结合Ag锐度与Au保护层，产生更短波长、更窄FWHM共振。优化堆叠在GaP缓冲层下，灵敏度达450 nm/RIU，在折射率1.33-1.43范围内稳定；FOM达160-220 1/RIU，超越近期石墨烯、硅、氧化物、金属纳米棱柱等方案。

结论

本文演示介质纳米棱柱传感器放大金属-分析物界面局域场，实现更深SPR穿透和更大相互作用体积。垂直入射架构简化集成(如与光纤探针)，性能卓越：平台灵敏度~450 nm/RIU，FOM 160-220 1/RIU覆盖1.33-1.43 RIU。材料优化(GaP缓冲层、Ag/Au双层)拓宽工作折射率范围并保持生物相容性。这些特性使器件适用于生物医学诊断、环境监测、工业液体传感。

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纳米材料