Optische eigenschappen en detectieprestaties van Au/SiO2-driehoeken Arrays op reflectie-au-laag

Resultaten en discussie

Optische eigenschappen

De structuurparameters van de MIM-structuur worden systematisch gevarieerd. Eerst worden de bovenste Au- en middelste diëlektrische lagen ingesteld op respectievelijk 30 nm en 30 nm. De onderste Au-film is 100 nm, wat dik genoeg is om al het licht te weerkaatsen. De transmissie T is bijna 0 [24]. De absorptie A kan worden verkregen met 1-R (R:reflectiviteit door het model). De brekingsindex van de omgeving is 1,34. Om te weten hoe de opening tussen de aangrenzende punten van aangrenzende driehoeken de absorptiepiek beïnvloedt, bestuderen we eerst de relatie tussen het absorptiespectrum en de opening tussen aangrenzende punten. De resultaten worden weergegeven in figuur 2. Figuur 2a toont de absorptiespectra van de MIM-structuurarray met de spleetgroottes 10 nm, 20 nm, 30 nm, 40 nm en 50 nm. Uit de spectra zien we dat de puntopening (variërend tussen 10 ~ 50 nm) geen invloed heeft op de positie en amplitude van de hoofdpieken (bij ~ -900 nm), wat wijst op de associatie met andere resonantiemodi. In navolging van de MIM-structuurarray met een tussenruimte van 30 nm, wordt een MIM-structuurarraymodel met halve driehoek in elke eenheid gebouwd voor verdere analyse. De kleinste spleetgrootte tussen aangrenzende driehoeken van het model met een dunne driehoeksopstelling is groter dan 500 nm, wanneer er geen interactie tussen hen bestaat. We berekenen de S-parameter van het model, waarvan het absorptiespectrum de inzet is van figuur 2a. De positie van de hoofdpiek is bijna hetzelfde als die van de MIM-structuurarray met een kleine spleetgrootte (variërend tussen 10 ~ 50 nm), terwijl de absorptie van de piek veel vermindert. Er kan dus worden geconcludeerd dat de vorming van de hoofdpiek voornamelijk verband houdt met de geïsoleerde MIM-eenheid. Om de vormingsreden van de hoofdpiek verder te bevestigen, modellen, de spleetgrootte behouden (variërend tussen 10 ~ 50 nm) en de onderste Au-film vervangen door SiO₂ film, zijn gebouwd. De absorptie van de gewijzigde modellen (metaal/diëlektrisch/diëlektrisch, MII) is weergegeven in figuur 2b. De pieken nabij 900 nm in Fig. 2a, b hebben bijna dezelfde positie en FWHM, maar de amplitude van de laatste is veel minder dan die van de eerste. Er kan worden geconcludeerd dat de vormingsreden van de hoofdpieken in de MIM-structuurarray wordt toegeschreven aan de van een patroon voorziene bovenste en middelste lagen. Ondertussen speelt het reflectie-Au-substraat van de MIM-structuur een belangrijke rol bij het verbeteren van de absorptie. Voor de MII-structuur bestaan ​​er LSPR's en oppervlakteroosterresonantie (SLR) [28]. De piekpositie van SLR ligt op ~ 1000 nm, wat het resultaat is van de LSP-modus van één Au-schijf met coherente diffractiekoppeling in vergelijking met andere Au-schijven. Als de dikte van SiO₂ te dun is, wordt SLR niet waargenomen in MIM-structuren. Omdat de polarisatie de absorptiespectra van MIM-structuurarrays enigszins beïnvloedt [32, 33], bespreken we dit hier niet.

Absorptiespectrum varieert met de spleetgroottes tussen aangrenzende uiteinden van driehoeken en neemt toe van MIM-structuurarray (a ) en MII-structuurarray (b ). De inzet in de rechterbovenhoek van a is absorptiespectrum van geïsoleerde MIM-structuur. c –e Elektrisch veld |E| distributie van xoz vliegtuig (y = 0 nm) van MIM-structuurarraymodellen met tussenruimten van respectievelijk 20 nm, 30 nm, 50 nm. v |E| distributie van xoz vliegtuig (y = 0 nm) van MII-structuurarraymodel met een opening van 30 nm. g |H| distributie van xoz vliegtuig (y = 0 nm) van MIM-structuurarraymodel met een tussenruimte van 30 nm. u |E| distributie van xoy vlak (z = − 30 nm) van MIM-structuurarraymodel met een tussenruimte van 30 nm

Om het detail te analyseren, wordt een periodiek model gebouwd, met een bovenaanzicht zoals weergegeven in figuur 1d, verlicht door een lineaire polarisatielichtbron (golflengte van 893,8 nm, dat is de positie van de hoofdpiek). Het elektrische veld |E| wordt gegeven in Fig. 2c-g. Figuur 2c–e is de elektrische veldverdeling van xoz vliegtuig (y = 0 nm), met een opening van respectievelijk 20 nm, 30 nm en 50 nm. De maximale |E| komt voor tussen de opening van aangrenzende Au-driehoeken voor een spleetgrootte van 10 nm, en aan de uiteinden van Au-driehoeken voor grotere spleetgroottes. De maximale waarde varieert van 54 tot 61, wat een kleine fluctuatie is. Het elektrische veld onder SiO₂ laag is extreem laag. Het is dezelfde situatie met die van de MII-structuurarray, met een spleetgrootte van 30 nm, weergegeven in figuur 1f. Het maximale veld komt ook voor aan de uiteinden van Au-driehoeken, ongeveer 48, wat iets kleiner is dan dat van het MIM-structuurarraymodel met dezelfde spleetgroottes. Het elektrische veld van de SiO₂ laag is bijna nul, terwijl magnetisch veld |H| is verbeterd, zoals weergegeven in Fig. 2g. De |H| kan worden verbeterd door de dikte van afstandhouders en Au-driehoeken aan te passen. In vergelijking met eerder onderzoek naar MIM-structuurabsorbers [32, 34] en onze bevinding, kan worden geconcludeerd dat hoewel er koppeling kan bestaan ​​tussen aangrenzende Au-driehoeken, kleine verandering van dit soort driehoeken (met zeer lange en scherpe punten) niet zal resulteren in verplaatsing van de hoofdpiek en vermindering van het versterkte lokale veld. De lokale versterking van het elektrische veld (~  48 keer van het invallende veld) aan de uiteinden van geïsoleerde Au-driehoeken is te wijten aan het tipgrootte-effect of het lichtstaafeffect [33, 35], wat resulteert in ~ -42% absorptie van de hoofdpiek van MII structuur modellen. Het grote lokale elektrische veld (> 54 keer invallend veld) en hoge absorptie (> 90%) van de hoofdpieken moeten worden toegeschreven aan het gelijktijdige lichtstaafeffect van Au-driehoekschijven en de fundamentele magnetische resonantiemodus onder SiO₂ spacer-lagen, die de MIM-structuurarray exciteren en reageren op het invallende licht, wat resulteert in ultrasmalle FWHM van de hoofdpieken met hoge absorptie. De FWHM van zijn belangrijkste absorptiepieken is aanzienlijk kleiner dan die van de MIM-structuur met normale driehoekige schijven [32], wat de detectieprestaties ten goede komt. De afname van de absorptie van MIM met halve driehoek in elke eenheid is te wijten aan een lage dichtheid van "hot spots" [36]. Bovendien bieden de reflecterende Au ook extra mogelijkheden voor LSPR-absorptie tussen Au-schijven. De veldverbetering van de driehoekige MIM-structuurarray is dus iets hoger dan die van de monolaagse driehoekarray op Si [37]. Ten slotte, het elektrische veld van xoy vlak (z = − 30 nm, het bovenoppervlak van de bovenste Au-laag) van het MIM-arraymodel wordt gegeven in Fig. 2h. Op alle punten van de Au-driehoeken zijn heldere lichtpuntjes te zien. Er kan echter worden waargenomen dat de vlekken in de middenlijn lagen, die evenwijdig is aan de x -as (de gepolariseerde richting van verlichting) van een hoekpunt van een driehoek en is helderder. Het fenomeen is in overeenstemming met de resultaten getoond in Ref. [37, 38], wat aangeeft dat een deel van de belangrijkste bijdrage van het elektrische veld afkomstig is van de component in het vlak, parallel aan het invallende licht.

Aangezien de opening tussen aangrenzende driehoeken in het experiment bestaat en nauwkeurige controle van de openinggrootte (nauwkeurigheid ~  15 nm, minimale gemiddelde openingwaarde 10 nm) op verschillende manieren mogelijk is [29, 30], kiezen we ervoor om de openinggrootte vast te stellen op 30 nm in het volgende onderzoek. Dan de diktes van de middelste SiO₂ laag en bovenste Au-lagen zijn respectievelijk gevarieerd. Wanneer de dikte van SiO₂ laag toeneemt, veranderen de positie en amplitude van de absorptiepieken snel, wat wordt weergegeven in figuur 3a. Wanneer de SiO₂ laag is dun, er bestaat alleen LSPR-absorptie en de absorptie van piek bij ~  900 nm is laag. Met de toenemende dikte van SiO₂ laag, treedt rode verschuiving van pieken op en bereikt de absorptie 90%. De reden voor de rode verschuiving van pieken is dat wanneer de dikte van de SiO₂ laag toeneemt, neemt de effectieve brekingsindex rond de driehoekige arrays toe, wat resulteert in roodverschuiving van plasmonpieken. Ondertussen vormt zich magnetische resonantie in de SiO₂ laag. De elektrische resonantie (van LSPR's) in de Au-driehoeken, gecombineerd met magnetische resonantie, reageert op invallend licht, wat resulteert in een extreem hoge absorptie bij ~ -900 nm. Bovendien beloven de scherpe punten van driehoeken de smalle FWHM van pieken. Voor het diktebereik van de SiO₂ laag, 25 ~ 40 nm, de absorptie is hoger dan 90%, maar de FWHM van de piek is iets kleiner wanneer de SiO₂ dikte is 25 nm. Het is omdat er een intensere koppeling tussen elektrische en magnetische modi optreedt. We kiezen dus 25 nm van SiO₂ en ga door met het bestuderen van het bovenste Au-laageffect op optische eigenschappen van de MIM-structuursensor. De relatie wordt getoond in Fig. 3b. De absorptie is laag wanneer de dikte van Au-driehoeken 10 nm is. Wanneer de dikte toeneemt, wordt de piekpositie rood verschoven en neemt de amplitude toe. Wanneer de dikte toeneemt tot 30 nm, bereikt de amplitude 90%. Met de voortdurende toename van de dikte van de bovenste Au-laag, varieert de absorptie niet terwijl de FWHM breder wordt. De FWHM varieert van 3,5 tot 6 nm. Het moet worden toegeschreven aan toenemend ohms verlies met toenemende dikte van de bovenste Au-film. We kiezen de bovenste Au-laag van 50 nm als een geschikte parameter voor de MIM-sensor en de FWHM van de piek is 5 nm. De reden voor de roodverschuiving is dat wanneer de dikte van Au-driehoeken toeneemt, het aantal vrije elektronen dat deelneemt aan de collectieve schok toeneemt en het vertragingseffect van het elektromagnetische veld helt; dus wordt de energie die nodig is voor de excitatie met gelijke resonantie verminderd [39]. Omdat veel vrije elektronen resoneren, stijgt de amplitude en is de FWHM van de piek extreem smal. De piekpositie is gerelateerd aan de scherpte en geometrische afmetingen van de driehoeken, en het aantal vrije elektronen dat zich ophoopt aan de uiteinden van de driehoeken is groot, de energie die nodig is voor de resonantie-excitatie is klein en de resonantiegolflengte is rood verschoven.

een Absorptiespectrum varieert met de dikte van SiO₂ laag toeneemt. b Absorptiespectrum varieert naarmate de dikte van de Au-arraylaag van de bovenste driehoek toeneemt

Detectieprestaties

In de bovenstaande studie zijn we aangekomen bij geoptimaliseerde parameters van de spleetgrootte tussen aangrenzende uiteinden van driehoekige schijf, dikte van SiO₂ spacer en bovenste Au-schijf, die respectievelijk 30 nm, 25 nm en 50 nm zijn. In dit deel worden de reeds geoptimaliseerde parameters vastgelegd en wordt het absorptiespectrum, variërend met de brekingsindex van de omgeving, berekend en weergegeven in Fig. 4. Met de brekingsindex van de omgeving die toeneemt, is een snelle roodverschuiving van extreem smalle, hoge absorptiepieken te zien . De FWHM voor elke piek is ongeveer 5 nm. We berekenen de RIS en FOM, die respectievelijk ongeveer 660 nm/RIU en 132 zijn. De optimalisatieresultaten van detectie-eigenschappen door numerieke studie van de conventionele patronen zijn uitstekend. Dankzij de kleine afwijking van in de handel verkrijgbare microsferen, volwassen technologie voor zelfassemblage van microsferen en ook de methoden voor nauwkeurige controle-gapgrootte [29, 30], kan de voorgestelde MIM-structuursensor praktische toepassing vinden bij het detecteren van oplossingsindex en identificatieoplossingen.

Absorptiepiek varieert met toenemende brekingsindex van de omgeving (van 1,33 tot 1,36)