Plasmonische sensor op basis van diëlektrische nanoprisma's

Methoden

De geometrie van de voorgestelde structuur is te zien in figuur 1a. Licht valt normaal gesproken in de richting van de punt van een gelijkbenige nanoprisma-array. We beschouwen een MgF₂ substraat dat kan worden geëtst of van een patroon kan worden voorzien, met periodieke langsgroeven met de gewenste driehoekige vorm [20, 21]. Deze groeven zijn gevuld met aluminiumzinkoxide (AZO). Dit materiaal kan door spincoating over het substraat met nanopatroon worden aangebracht om een ​​vlakke interface te produceren voor de afzetting van een dunne metalen film, bijvoorbeeld goud, om een ​​goede biocompatibiliteit te verzekeren. Ten slotte hebben we water als het te testen medium beschouwd om biosample-omstandigheden na te bootsen. De optische constanten voor de materialen zijn verkregen uit [22] voor MgF₂ , [23] voor AZO en [24] voor goud. Deze materiaalkeuze is gebaseerd op een eerste analyse van de haalbaarheid van het apparaat in termen van fabricagebeperkingen. De indexverdeling is geschikt bij het overwegen van de afstemming tussen een substraat met een lage index (MgF₂ ) en een bufferlaag met hoge index (AZO). De betrouwbaarheid van de optische constanten is een sleutelfactor bij het analyseren van de validiteit van het numerieke model. Een verfijning van het rekenmodel zou de karakterisering van de materialen moeten vereisen die zijn vervaardigd met dezelfde techniek en opstelling die zijn gebruikt om de apparaten te vervaardigen. Voor zover we de parametrische optimalisatie van het apparaat analyseren, extraheren we de optische constanten uit veelgebruikte referenties voor elk materiaal. In het geval van goud zijn de waarden uit referentie [24] veel gebruikt in de literatuur voor de analyse van vergelijkbare apparaten [1, 13, 25].

een Schematisch diagram van de voorgestelde structuur en b tijdgemiddelde vermogensstroom bij λ =758 nm voor de voorgestelde structuur zonder de metaallaag waar het trechtermechanisme wordt weergegeven

De voorgestelde materiële opstelling versterkt het trechtereffect dat al in sommige HARDG is waargenomen. De trechter- en geleidingseffecten in HARDG koppelen straling naar de dunne metaalfilm waar de SPR wordt gegenereerd.

Een voorlopige analyse beschouwt een TM vlakke golf die normaal vanaf de substraatzijde op de structuur invalt, zonder de metaallaag op te nemen. De amplitude van het invallende elektrische veld is 1 V/m. De resultaten voor deze structuur (zie figuur 1b) laten zien hoe licht wordt geleid en geleid door het prisma en het gebied bereikt waar de metaal-diëlektrische interface SPR genereert. Het beschikbare veld in deze regio is sterker dan dat van de klassieke Kretschmann-opstelling. Deze configuratie vertoont een zeer sterke plasmonische resonantie bij bepaalde specifieke golflengten die worden bepaald door de geometrische parameters van de structuur. Daarnaast zijn de geometrie van het apparaat en de materiaalkeuze van groot belang om het apparaat goed te laten werken. De geometrie van het systeem wordt bepaald door de dikte van de buffer- en metaallagen, t _BL en t _M , en door de parameters die het nanoprisma definiëren (breedte en hoogte, w _G en H ), en de ruimtelijke periodiciteit, P . De driedimensionale vorm van het nanoprisma is geëxtrudeerd uit een tweedimensionaal ontwerp (zie figuur 1a). Het prismagebied is verdeeld in twee delen, A en B, die de groevenreeks en de vlakparallelle bufferlaag definiëren. Deze twee gebieden kunnen worden vervaardigd met hetzelfde materiaal of met behulp van twee materialen. Deze twee configuraties zullen verschillende spectrale gedragingen produceren.

De analyse van de prestaties van dit apparaat wordt gemaakt door een computationeel elektromagnetismepakket (COMSOL Multiphysics) op basis van een eindige-elementenmethode. Het COMSOL-model is positief gecontroleerd door het gedrag van de klassieke Kretschmann-configuratie te evalueren en de numerieke resultaten te vergelijken met de analytische oplossing [12]. De resultaten van de berekening zijn gebruikt om het ontwerp te optimaliseren met twee hoofddoelen:het vergroten van de veldamplitude op de locatie waar SPR wordt gegenereerd (metaal-watergrensvlak) en het verkleinen van de breedte van de reflectiedip die samenhangt met de resonantie. Deze resonantie wordt geparametreerd door de volledige breedte op het halve maximum (FWHM) van de reflectie.

Eigenlijk werken de meeste SPR-sensoren als refractometers omdat ze de verandering in de brekingsindex van het te analyseren medium heel goed waarnemen. In dit geval wordt gevoeligheid gedefinieerd als [13]:

die de verschuiving van de spectrale locatie van de minimale reflectie beschrijft, Δ λ , wanneer de brekingsindex verandert, Δ n . Gevoeligheid wordt gegeven als nm/RIU, waarbij RIU staat voor brekingsindexeenheden. Een andere parameter om verschillende sensortechnologieën te vergelijken, is de figuur van verdienste (FOM) die wordt gedefinieerd als

Deze parameter is de verhouding van de gevoeligheid tot de spectrale breedte van de reflectiedip en wordt gegeven als 1/RIU. Dit cijfer van verdienste houdt al rekening met het vermogen van een bepaald systeem om een ​​bepaalde verandering in de locatie van de minimale reflectie waar te nemen.

De evaluatie van de veldversterking op de analytlocatie en de reflectie FWHM op de piek, duurt vrij lang met behulp van speciale computers. Dit feit maakt multidimensionale optimalisatie moeilijker op te lossen. Bovendien zou het de definitie van een merit-functie nodig hebben die de prestatieparameters op de juiste manier combineert. Vervolgens kiezen we ervoor om één parameter tegelijk te nemen om het apparaat te optimaliseren. Deze strategie is zeer geschikt om te begrijpen hoe elke geometrische parameter de algehele prestatie van het apparaat verandert. Bovendien verkrijgen we door het monitoren en optimaliseren van de veldverbetering en de FWHM van de spectrale reflectie ook hogere waarden voor de gevoeligheid en FOM. Na optimalisatie ontdekten we dat de geometrische parameters die een betere respons opleveren, t . zijn _BL =100 nm, t _M =30 nm, w _G =325 nm, en H =700 nm en een periodiciteit van P =550 nm. Deze waarden zijn verkregen rekening houdend met de fabricagebeperkingen. Daarom hebben we een stap van 25 nm overwogen tussen opeenvolgende waarden die in de optimalisatie zijn opgenomen. We hebben ook het gebruik van ultradunne of ultradikke lagen vermeden die de haalbaarheid van het apparaat in gevaar zouden kunnen brengen.

Figuur 2a toont een kaart van de modulus van het elektrische veld bij de resonantiegolflengte λ =758 nm voor de voorgestelde structuur wanneer een binnenkomend golffront met een amplitude van 1 V/m het systeem verlicht. De polarisatie komt overeen met een TM-modus. De golflengte die voor optimalisatie wordt gebruikt, wordt willekeurig gekozen en kan, indien nodig, worden verschoven door de periodeparameter te wijzigen, P . Om onze resultaten te vergelijken met die verkregen uit de klassieke Kretschmann-configuratie, evalueren we de prestaties met dezelfde golflengte, λ =758 nm, om het prisma te verlichten. Vervolgens berekenen we de hoekafhankelijkheid van de reflectiviteit om de invalshoek te verkrijgen waaronder de resonantie plaatsvindt voor het Kretschmann-prisma, die 66,28° is voor BK7-glas/Au [50 nm]/water. De genormaliseerde elektrische velden bij resonantie voor de klassieke Kretschmann-opstelling en die van de nanoprismaconfiguratie worden weergegeven in figuur 2b. Ze laten een significante verbetering zien van het verdwijnende veld in het analytmedium vanwege de focusseringseffecten (trechters en geleiding) die door het nanoprisma worden geproduceerd. Deze verbetering is groter in het voorgestelde apparaat dat werkt onder normale omstandigheden. Naast de veldverbetering die is verkregen met het nanoprisma-apparaat met betrekking tot de Krestchmann-configuratie, kunnen we zien dat de plasmonresonantie zich voortplant in het te testen medium langs een geschatte diepte van 180 en 300 nm voor respectievelijk de Kretschmann-opstelling en ons voorstel. Daarom is het interactievolume van de voorgestelde nanoprismastructuur groter dan in de Krestchmann-opstelling.

een Kaart van de modulus van het elektrische veld bij λ =758 nm voor een ingangsamplitude van het elektrisch veld van 1 V/m en gepolariseerd als een TM-modus (elektrisch veld parallel aan de kaart). b Profiel van de grootte van het elektrisch veld in de voortplantingsrichting voor de Krestchmann-configuratie (zwarte stippellijn ) en voor het nanoprisma-apparaat (rode ononderbroken lijn )

De waarden van gevoeligheid en FOM (Vgl. 2 en 3) worden geëvalueerd op basis van het spectrale gedrag van de reflectie bij het veranderen van de brekingsindex van het te testen medium. In figuur 3a hebben we verschillende reflectiecurven uitgezet voor verschillende waarden van de brekingsindex van de analyt. Figuur 3a toont een verslechtering van de scherpte van het minimum wanneer de brekingsindex van de analyt dichter bij de bufferlaagindex komt. In deze situatie, waarbij sprake is van een zeer dunne metaalfilm, wordt de reflectie kleiner omdat het verschil in de brekingsindex kleiner wordt. De maximale waarden voor S _B en FOM verkregen uit Fig. 3b zijn respectievelijk 250 [nm/RIU] en 100 [1/RIU]. Deze waarden zijn hoger dan de eerder gerapporteerde resultaten voor klassieke Kretschmann-configuraties [26-30]. Deze waarden voor beide S _B en FOM zijn niet constant bij het wijzigen van de brekingsindex van de analyt [30–33].

een Spectrale reflectie voor een optimaal ontwerp dat AZO als bufferlaag gebruikt als functie van de brekingsindex van het te testen medium. De scherpte van de resonantiepiek neemt af naarmate de brekingsindex toeneemt. b Gevoeligheid (linkeras en zwarte stippellijn) en verdienste (rechteras en blauwe ononderbroken lijn) als functie van de brekingsindex van het te testen medium

Resultaten en discussies

In het vorige optimalisatieproces hebben we aandacht besteed aan de geometrie van het apparaat. Nu analyseren we hoe een andere materiaalkeuze de prestaties van het apparaat kan verbeteren. Om dat te doen, maken we onderscheid tussen het nanoprismagebied en de planparallelle laag die het nanoprisma scheidt van de metallische afzetting (delen A en B in Fig. 1a). Vervolgens wordt het nanoprismamateriaal nog steeds gemaakt van AZO om de trechtereigenschappen en het gemak van fabricage te behouden met behulp van spin-coating-technieken. In regio B vervangen we AZO door GaP (optische constanten verkregen uit [34]). Deze verandering lost de verslechtering van de scherpte van de reflectiepiek op bij het verplaatsen naar een hogere index (zie figuur 3a). Bij het analyseren van het uiteindelijke geoptimaliseerde ontwerp zullen we deze vergelijking hervatten. Dit gedrag wordt zeer gewaardeerd om de stabiliteit en betrouwbaarheid van de sensor te verbeteren.

Het volgende materiaal dat moet worden geanalyseerd, is het metaal dat wordt gebruikt voor het genereren van SPR. De keuze voor goud is gebaseerd op de goede biocompatibiliteit. Zilver (optische constanten verkregen uit [24]) is echter beter geschikt om een ​​sterkere SPR te genereren. Om van beide kenmerken te profiteren, stellen we een dubbele opeenvolgende afzetting voor om een ​​bimetaallaag van zilver en goud te vervaardigen. In figuur 4a hebben we vier mogelijke opties voor de metaallaag uitgezet. De reflectie van zilver (rode lijn in figuur 4a) toont een scherpere, smallere en diepere reflectiepiek dan goud (zwarte lijn in figuur 4a). De piek voor het zilver bevindt zich op een kortere golflengte dan de resonantie voor een gouden metaallaag. De spectrale reflectie voor de combinatie van deze metalen in de dubbellaagse structuur ligt tussen de twee enkel-metaalopties in, wat een betere resonantie laat zien naarmate de goudlaag dunner wordt. Een optimale oplossing is een dubbellaag van 25 nm dik zilver bedekt met 5 nm dik goud. Deze oplossing combineert beide metalen met diktes in het bereik van de fabricagetechnologie.

een Spectrale reflectie voor enkelmetaal 30 nm dikke laag gemaakt van goud (zwart) of zilver (rood), en voor bimetaallaag voor twee diktecombinaties (blauw en groen). De gele pijl selecteert de respons voor de optimale opstelling (25 nm-Ag / 5 nm-Au). b Spectrale reflectiviteiten van het optimale apparaat dat een GaP-bufferlaag gebruikt. De pieken vertonen een vergelijkbare scherpte voor drie verschillende waarden van de brekingsindex. c Gevoeligheid (linkeras en zwarte stippellijn) en FOM (rechteras en blauwe ononderbroken lijn) van de geoptimaliseerde sensor voor een groter bereik van de brekingsindex. De verticale lijn geeft de limiet aan die in het vorige ontwerp is geanalyseerd, waarbij de bufferlaag was gemaakt van AZO en de metalen laag was gemaakt van goud

Voor het optimale geval van een eerder overwogen bimetaallaag, hebben we in figuur 4b de spectrale respons voor verschillende waarden van de brekingsindex uitgezet. Bij het vergelijken van de spectrale reflecties in Fig. 3a en 4b kunnen we ook nagaan hoe de scherpte van de spectrale piek behouden blijft voor een groter bereik in de brekingsindex van de analyt. De reden voor deze verbetering is het gebruik van GaP bij de fabricage van de bufferlaag van het apparaat. Figuur 4c bevat de waarden van gevoeligheid en FOM voor het geoptimaliseerde apparaat dat een bimetaallaag (25 nm zilver/5 nm goud) en een GaP-bufferlaag bevat. Deze waarden zijn hoger dan die weergegeven in figuur 3b, waar we een enkelvoudige metalen goudlaag en een AZO-bufferlaag hadden. Figuur 4c bevat een verticale rode lijn die de bovengrens in de brekingsindex aangeeft waar het ontwerp dat in figuur 3 is geanalyseerd, de scherpte van de spectrale reflectiepiek begint te verminderen. De optimale structuur heeft een maximum S _B =450 nm/RIU, wat stabiel is over een groot aantal brekingsindexveranderingen en overeenkomt met een FOM van 160 tot 220 1/RIU.

Deze waarden zijn beter dan sommige recente voorstellen die grafeen [28, 30, 35], silicium nanostructuren [27], diëlektrische of metalen roosters [26, 29], oxidefilms [36] en metalen nanoprisma's (goud gecoat over zilveren nanoprisma's) gebruiken ) [37]. Wanneer ze niet werken bij normaal incident, vertonen sommige andere plasmonische structuren, zoals de gouden paddenstoelen, een hogere gevoeligheid maar een lagere FOM [38].

Conclusies

Deze bijdrage presenteert een geëxtrudeerde geometrie met diëlektrisch nanoprisma die het beschikbare vermogen verhoogt om SPR op het detectieoppervlak te genereren. Daarom strekt de SPR zich dieper uit in de analyt en als gevolg daarvan verhoogt het het interactievolume. Deze eigenschap zou de detectielimiet van het systeem moeten verlagen. Het apparaat werkt onder normale weersomstandigheden. Dit maakt een eenvoudigere integratie van het verlichtings- en ondervragingssysteem mogelijk, bijvoorbeeld door de sensor op het uiteinde van een optische vezel te plaatsen. De prestaties van het systeem zijn beter dan de eerder gerapporteerde resultaten op dit gebied. Gevoeligheid vertoont een plateau van ongeveer 450 nm/RIU voor een groot bereik in de brekingsindex (van 1,33 tot 1,39). Het cijfer van verdienste, FOM, is ook groot en heeft een minimumwaarde van 160 en een maximum van 220 1/RIU in het hele bereik van de brekingsindex tussen 1,33 en 1,43. Om deze prestatiecijfers te verkrijgen, is het ontwerp geoptimaliseerd door de geometrische parameters en de materiaalkeuze te wijzigen. We hebben ook materialen overwogen die kunnen worden opgenomen in een fabricagestrategie met spincoating. Dit maakt het vlak maken van het apparaat mogelijk en interfereert niet met de voorwaarden voor het afstemmen van de brekingsindex. Bij deze optimalisatie hebben we altijd rekening gehouden met de haalbaarheid van de fabricage, waarbij we zeer beperkte functies hebben vermeden die het apparaat in gevaar zouden kunnen brengen. De optimalisatie in termen van de materiaalkeuze heeft AZO vervangen door GaP op de bufferlaag om het bereik in de brekingsindex uit te breiden van 1,40 tot 1,43. Ook hebben we een zilver-goud bimetaallaag gedimensioneerd die profiteert van de goede plasmonische respons van zilver en de biocompatibiliteit van goud. De hier gepresenteerde nanoprismastructuur verbetert het bedieningsgemak, maakt een normale incidentie-opstelling mogelijk en kan worden gebruikt voor biomedische, milieu- of industriële toepassingen met vloeistoffen.