基于介电纳米棱镜的等离子体传感器

背景

表面等离子体共振 (SPR) 在光学传感中的使用获得了极大的关注，因为它们为生物医学和材料科学提供了无标记设备。这些传感器使用光谱或角度询问程序 [1-5]，其中一些利用人类视觉系统可检测到的色度变化 [6, 7] 激发表面等离子体共振的基本设置是经典的 Kretschmann 配置[8] 其中光从与金属层直接接触的电介质透明棱镜以给定角度入射到薄金属板上 [9]。奥托配置也使用棱镜，但现在，金属层与棱镜被一个薄空间隔开，在那里发生等离子体共振[10]。先前经典配置的变体使用半球形透镜和在等离子体共振界面耦合辐射的光栅 [11]。 Krestschmann 设置的输出取决于波矢量匹配条件，对于给定的金属介电界面入射角应满足该条件。这个条件可以写成

其中 n P 是棱镜的折射率，β ^SP 是以入射角θ产生的表面等离子体的传播常数 r [12, 13]。入射角通常非常大，这一事实有时会限制设备的操作范围和操作容易度。为了克服这些限制，文献中分析了一些关于集成 SPR 传感器的建议。例如，在法向入射条件下，金属薄膜上的非常窄的凹槽会激发 SPR [14]。然而，在 3 nm 范围内的非常窄的凹槽宽度可能会危及器件制造。实验上实现的类似方法是使用窄金属纳米腔激发 SPR [15]。另一种方法已在理论上证明，使用嵌入玻璃基板的金属光栅，获得光谱反射率，显示宽度或大约 3 nm 的急剧下降 [16]。这些方法允许法向入射条件，并且询问方法现在基于反射光的光谱变化。这就是为什么非常赞赏尖锐的光谱特征来提高这些传感器的性能。我们选择了光谱反射率以允许从入射侧读取信号。在正常入射条件下激发的等离子体纳米结构产生的光学吸收增强也提供了 Kretschmann 配置的替代方案。该方法利用吸收作为光检测的传感参数[17, 18]。

在这个贡献中，我们建议保持入射光的法向入射条件，并利用介电结构中的漏斗机制将光导向产生 SPR 的位置。已经提出高纵横比介电光栅 (HARDG) 来将光引导到光伏电池的有源层中 [19]。相同的概念适用于将光重定向到感兴趣的金属-电介质界面的传感设备。在这个贡献中，我们建议使用嵌入在介电基板上的纳米棱镜，该基板是平坦的并且与用于通过 SPR 激发进行传感的金属介电层相邻。这种结构更有效地汇集了入射辐射，因此，等离子体共振受益于到达感兴趣平面的能量增加。所提出的器件性能优于类似结构，并且具有可用标准纳米制造技术可行和制造的几何和材料排列。

方法

拟议结构的几何形状可以在图 1a 中看到。光通常入射到等腰纳米棱镜阵列的尖端。我们考虑可以蚀刻或图案化的 MgF2 基板，其具有具有所需三角形形状的周期性纵向凹槽 [20, 21]。这些凹槽填充有氧化铝锌 (AZO)。这种材料可以旋涂在纳米图案基板上，以产生用于沉积金属薄膜（例如金）的平面界面，以确保良好的生物相容性。最后，为了模拟生物样品条件，我们将水作为被测介质。材料的光学常数可以从 [22] 的 MgF2、[23] 的 AZO 和 [24] 的金获得。这种材料的选择是以对设备在制造限制方面的可行性的第一次分析为指导的。当考虑低指数衬底 (MgF2) 和高指数缓冲层 (AZO) 之间的匹配时，指数分布是合适的。光学常数的可靠性是分析数值模型有效性的关键因素。计算模型的改进应要求对使用与制造设备相同的技术和布置制造的材料进行表征。就我们分析器件的参数优化而言，我们从每种材料的常用参考中提取光学常数。在金的情况下，参考文献[24]中的值已广泛应用于文献[1,13,25]的分析中。

一 所提出的结构示意图和b λ 处的时间平均功率流 =758 nm 对于没有金属层的建议结构，其中显示了漏斗机制

提议的材料排列增强了在一些 HARDG 中已经观察到的漏斗效应。 HARDG 中的漏斗和引导效应将辐射耦合到产生 SPR 的金属薄膜。

初步分析认为 TM 平面波通常从结构上的衬底侧入射，但不包含金属层。入射电场的幅度为 1 V/m。这种结构的结果（见图 1b）显示了光是如何漏斗并通过棱镜到达金属-电介质界面产生 SPR 的区域的。该区域的可用场强于经典 Kretschmann 设置的场。该配置在由结构的几何参数确定的某些特定波长处显示出非常强的等离子体共振。此外，设备的几何形状和材料的选择对于正确操作设备非常重要。系统的几何形状由缓冲层和金属层的厚度决定，t BL 和 t M，并通过定义纳米棱镜的参数（宽度和高度，w G 和 H )，及其空间周期性，P .纳米棱镜的三维形状是从二维设计中挤出的（见图 1a）。棱镜区被分为 A 和 B 两部分，定义了凹槽阵列和平面平行缓冲层。这两个区域可以用相同的材​​料或使用两种材料制造。这两种配置会产生不同的光谱行为。

该设备的性能分析是通过基于有限元方法的计算电磁学包 (COMSOL Multiphysics) 进行的。通过评估经典 Kretschmann 配置的行为并将数值结果与解析解进行比较 [12]，COMSOL 模型得到了积极的检验。从计算中获得的结果已用于优化设计，主要目标有两个：增加产生 SPR 的位置（金属-水界面）的场振幅，并减少与共振相关的反射率下降的宽度。这种共振由反射率的半峰全宽 (FWHM) 参数化。

实际上，大多数 SPR 传感器都用作折射计，因为它们能很好地感知被分析介质的折射率变化。在这种情况下，灵敏度定义为[13]：

它描述了反射率最小值的光谱位置的偏移，Δ λ ，当折射率变化时，Δ n .灵敏度表示为 nm/RIU，其中 RIU 表示折射率单位。另一个比较不同传感器技术的参数是品质因数 (FOM)，定义为

该参数是灵敏度与反射率倾角的光谱宽度之比，以 1/RIU 形式给出。这个品质因数已经考虑了给定系统感知反射率最小值位置给定变化的能力。

使用专用计算机对分析物位置处的场增强和峰值处的反射 FWHM 进行评估需要相当长的时间。这一事实使得多维优化更难解决。此外，还需要定义一个与性能参数适当结合的评价函数。然后，我们选择当时取一个参数来优化设备。这种策略非常适合了解每个几何参数如何改变设备的整体性能。此外，通过监测和优化光谱反射率的场增强和 FWHM，我们还获得了更高的灵敏度和 FOM 值。经过优化，我们发现产生更好响应的几何参数是t BL =100 纳米，t M =30 纳米，w G =325 nm 和 H =700 nm 和 P 的周期性 =550 纳米。这些值是在考虑到制造限制的情况下获得的。这就是为什么我们在优化中包含的连续值之间考虑了 25 nm 的步长。我们还避免使用可能影响设备可行性的超薄或超厚层。

图 2a 显示了谐振波长 λ 处的电场模量图 当振幅为 1 V/m 的入射波前照射系统时，建议结构的波长 =758 nm。极化对应于TM模式。用于优化的波长是任意选择的，如有必要，可以通过改变周期参数 P .为了将我们的结果与从经典 Kretschmann 配置获得的结果进行比较，我们使用相同的波长 λ 评估其性能 =758 nm，照亮棱镜。然后，我们计算反射率的角度依赖性以获得 Kretschmann 棱镜发生共振的入射角，对于 BK7 玻璃/Au [50 nm]/水，该入射角为 66.28°。经典 Kretschmann 设置和纳米棱镜配置的共振归一化电场如图 2b 所示。由于纳米棱镜产生的聚焦效应（漏斗和引导），它们显示出分析物介质中的倏逝场显着增强。在正常入射条件下工作的建议装置中，这种增强更大。除了相对于 Krestchmann 配置使用纳米棱镜装置获得的场增强之外，我们还可以看到，对于 Kretschmann 设置和我们的建议，等离子体共振在被测介质中分别沿着 180 和 300 nm 的估计深度传播。因此，所提出的纳米棱柱结构的相互作用体积大于 Krestchmann 装置。

一 λ 处的电场模量图 =758 nm，输入电场幅度为 1 V/m，极化为 TM 模式（电场平行于图）。 b 沿着 Krestchmann 配置传播方向的电场强度分布图（黑色虚线 ）和纳米棱镜装置（红色实线 )

当改变被测介质的折射率时，根据反射率的光谱行为评估灵敏度和 FOM 值（方程 2 和 3）。在图 3a 中，我们针对分析物的不同折射率值绘制了几条反射曲线。图 3a 显示了当分析物的折射率变得更接近缓冲层折射率时最小值的锐度下降。在这种涉及非常薄的金属膜的情况下，反射率会变小，因为折射率的差异减小了。 S 的最大值 B 从图 3b 获得的 FOM 和 FOM 分别为 250 [nm/RIU] 和 100 [1/RIU]。这些值高于先前报道的经典 Kretschmann 配置的结果 [26-30]。但是，对于 S 的这些值 B 当改变分析物的折射率时，FOM 和 FOM 不是恒定的[30-33]。

一 使用 AZO 作为缓冲层的优化设计的光谱反射率是被测介质折射率的函数。共振峰的锐度随着折射率的增加而降低。 b 灵敏度（左轴和黑色虚线）和品质因数（右轴和蓝色实线）作为被测介质折射率的函数

结果和讨论

在之前的优化过程中，我们关注了设备的几何形状。现在，我们分析不同的材料选择如何提高设备的性能。为此，我们区分了纳米棱镜区域和将纳米棱镜与金属沉积物分开的平面平行层（图 1a 中的 A 部分和 B 部分）。然后，纳米棱镜材料仍然由偶氮制成，以保持漏斗特性和使用旋涂技术制造的简易性。在区域 B，我们用 GaP（从 [34] 获得的光学常数）替换 AZO。当移动到更高的指数时，这种变化解决了反射峰锐度下降的问题（见图 3a）。在分析最终优化设计时，我们将继续进行这种比较。这种行为很好地提高了传感器的稳定性和可靠性。

下一个要分析的材料是用于生成 SPR 的金属。黄金的选择是基于其良好的生物相容性。然而，银（从 [24] 获得的光学常数）更适合产生更强的 SPR。为了利用这两个特性，我们提出了双连续沉积来制造由银和金制成的双金属层。在图 4a 中，我们为金属层绘制了四种可能的选项。银的反射率（图 4a 中的红线）显示出比金（图 4a 中的黑线）更尖锐、更窄、更深的反射峰。银的峰值位于比金金属层的共振波长更短的波长处。双层结构中这些金属组合的光谱反射率介于两种单金属选项之间，随着金层变薄显示出更好的共振。最佳解决方案是由 25 纳米厚的银镀上 5 纳米厚的金制成的双层。该解决方案结合了两种金属，其厚度在制造技术范围内。

一 由金（黑色）或银（红色）制成的单金属 30 纳米厚层的光谱反射率，以及两种厚度组合（蓝色和绿色）的双金属层的光谱反射率。黄色箭头选择最佳排列的响应 (25 nm-Ag / 5 nm-Au)。 b 使用 GaP 缓冲层的最佳器件的光谱反射率。对于三个不同的折射率值，峰显示出相似的锐度。 c 优化传感器的灵敏度（左轴和黑色虚线）和 FOM（右轴和蓝色实线），用于扩展的折射率范围。垂直线表示先前设计中分析的极限，其中缓冲层由 AZO 制成，金属层由金制成

对于之前考虑的双金属层的最佳情况，我们在图 4b 中绘制了几个折射率值的光谱响应。当比较图中的光谱反射率时。在图 3a 和 4b 中，我们还可以检查光谱峰的锐度如何在分析物的折射率的更大范围内保持。这种改进的原因是在器件缓冲层的制造中使用了 GaP。图 4c 包含优化器件的灵敏度和 FOM 值，该器件包含双金属层（25 nm 银/5 nm 金）和 GaP 缓冲层。这些值高于图 3b 中显示的值，其中我们有一个单金属金层和一个 AZO 缓冲层。图 4c 包括一条垂直红线，表示折射率上限，图 3 中分析的设计开始降低光谱反射峰的锐度。最优结构具有最大S B =450 nm/RIU，在较宽的折射率变化范围内稳定，对应的 FOM 范围为 160 至 220 1/RIU。

这些值优于最近使用石墨烯 [28, 30, 35]、硅纳米结构 [27]、电介质或金属光栅 [26, 29]、氧化膜 [36] 和金属纳米棱柱（镀金在银纳米棱柱上）的一些提议。 ) [37]。在正常事件下不工作时，其他一些等离子体结构，如金蘑菇，表现出较高的灵敏度，但 FOM 较低 [38]。

结论

这种贡献呈现出一种介电纳米棱柱挤压几何形状，它增加了在传感表面产生 SPR 的可用功率。因此，SPR 在分析物内延伸得更深，从而增加了其相互作用体积。该特性应降低系统的检测极限。该设备在正常入射条件下工作。这使得照明和询问系统更容易集成成为可能，例如，将传感器放置在光纤的尖端。该系统的性能优于该领域先前报道的结果。对于大范围的折射率（从 1.33 到 1.39），灵敏度显示出大约 450 nm/RIU 的平稳状态。品质因数 FOM 也很大，在 1.33 和 1.43 之间的整个折射率范围内最小值为 160，最大值为 220 1/RIU。为了获得这些性能指标，设计已经通过改变其几何参数和材料选择进行了优化。我们还考虑了可以纳入涉及旋涂的制造策略中的材料。这允许器件的平面化并且不干扰折射率匹配条件。在此优化中，我们始终牢记制造的可行性，避免可能危及设备的非常窄的特征。材料选择方面的优化已在缓冲层用 GaP 代替 AZO，将折射率范围从 1.40 扩展到 1.43。此外，我们还设计了一个银金双金属层，利用银的良好等离子体响应和金的生物相容性。此处介绍的纳米棱镜结构提高了操作的简便性，允许正常入射设置，并可用于涉及液体的生物医学、环境或工业应用。