반사 Au 층에서 Au/SiO2 삼각형 어레이의 광학 특성 및 감지 성능

결과 및 토론

광학 속성

MIM 구조의 구조 매개변수는 체계적으로 다양합니다. 먼저 상단 Au 및 중간 유전체 층을 각각 30nm 및 30nm로 설정합니다. 하단 Au 필름은 100nm로 모든 빛을 반사하기에 충분히 두껍습니다. 전송 T 거의 0이다[24]. 흡수 A 1-R(R:모델에 의한 반사율)을 사용하여 얻을 수 있습니다. 환경의 굴절률은 1.34입니다. 이웃한 삼각형의 인접한 팁 사이의 간격이 흡수 피크에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위해 먼저 이웃하는 팁 사이의 간격과 흡수 스펙트럼의 관계를 연구합니다. 결과는 그림 2에 나와 있습니다. 그림 2a는 갭 크기가 10nm, 20nm, 30nm, 40nm, 50nm인 MIM 구조 어레이의 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. 스펙트럼에서 팁 갭(10~50nm에서 다양함)이 주요 피크(~ 900nm에서)의 위치와 진폭에 영향을 미치지 않는 것을 볼 수 있으며, 이는 다른 공진 모드와의 연관성을 암시합니다. 30nm 간격 크기의 MIM 구조 어레이에 이어, 추가 분석을 위해 각 유닛에 삼각형이 반으로 갈라지는 MIM 구조 어레이 모델이 구축됩니다. 성긴 삼각형 배열이 있는 모델의 인접한 삼각형 사이의 가장 작은 간격 크기는 500nm보다 큽니다. 여기서 삼각형 사이에는 상호작용이 없습니다. 흡수 스펙트럼이 그림 2a의 삽입된 모델의 S 매개변수를 계산합니다. 메인 피크의 위치는 갭 크기가 작은(10~50nm 범위) MIM 구조 어레이와 거의 동일하지만 피크의 흡수는 많이 감소합니다. 따라서 주피크의 형성은 주로 고립된 MIM 단위와 관련이 있다고 결론지을 수 있다. Main Peak의 형성 이유를 더 확인하기 위해 Gap Size(10~50nm에서 다양)를 유지하고 하단 Au 필름을 SiO₂로 교체하는 모델 필름, 빌드됩니다. 변경된 모델(금속/유전체/유전체, MII)의 흡수는 그림 2b에 나와 있습니다. 그림 2a, b에서 900nm 부근의 피크는 위치와 FWHM이 거의 동일하지만 후자의 진폭은 전자보다 훨씬 작습니다. MIM 구조 어레이에서 주요 피크가 형성되는 이유는 패턴화된 상부 및 중간층에 기인한다고 결론지을 수 있다. 한편, MIM 구조의 반사 Au 기판은 흡수를 향상시키는 데 중요한 역할을 한다. MII 구조의 경우 LSPR과 SLR(Surface lattice Resonance)이 존재합니다[28]. SLR의 피크 위치는 ~ 1000nm이며, 이는 다른 Au 디스크와 비교하여 일관된 회절 결합이 있는 하나의 Au 디스크 LSP 모드의 결과입니다. SiO₂의 두께로 너무 얇으면 MIM 구조에서 SLR이 관찰되지 않습니다. 편광은 MIM 구조 어레이의 흡수 스펙트럼에 약간 영향을 미치기 때문에[32, 33], 여기에서 논의하지 않습니다.

흡수 스펙트럼은 MIM 구조 배열(a ) 및 MII 구조 배열(b ). a의 오른쪽 상단 모서리에 삽입 는 격리된 MIM 구조의 흡수 스펙트럼입니다. ㄷ –이 전기장 |E| xoz 배포 평면(y =0 nm) 갭 크기가 각각 20nm, 30nm, 50nm인 MIM 구조 어레이 모델. 에 |E| xoz 배포 평면(y =0 nm) 갭 크기가 30nm인 MII 구조 어레이 모델. 지 |아| xoz 배포 평면(y =0 nm) 갭 크기가 30nm인 MIM 구조 어레이 모델. 아 |E| xoy 배포 평면(z =− 30nm) 갭 크기가 30nm인 MIM 구조 어레이 모델

세부 사항을 분석하기 위해 선형 편광 광원(주 피크의 위치인 893.8nm의 파장)에 의해 조명된 그림 1d와 같은 평면도가 있는 주기적 모델을 구축합니다. 전기장 |E| 그림 2c–g에 나와 있습니다. 그림 2c–e는 xoz의 전기장 분포입니다. 평면(y =0 nm), 간격 크기는 각각 20nm, 30nm, 50nm입니다. 최대 |E| 갭 크기가 10nm인 조건의 경우 인접한 Au 삼각형의 갭 사이에서 발생하고 더 큰 갭 크기의 경우 Au 삼각형의 팁에서 발생합니다. 최대값은 54에서 61까지 다양하며 약간의 변동이 있습니다. 그러나 SiO₂ 사이의 전기장은 레이어가 매우 낮습니다. 그림 1f와 같이 갭 크기가 30nm인 MII 구조 어레이의 경우와 동일한 상황입니다. 최대 자기장은 Au 삼각형의 끝 부분에서도 발생하며, 약 48개로 동일한 간격 크기의 MIM 구조 배열 모델보다 약간 작습니다. SiO₂의 전기장 자기장 |H| 동안 층은 0에 가깝습니다. 그림 2g와 같이 향상되었습니다. |H| 스페이서 및 Au 삼각형의 두께를 조정하여 개선할 수 있습니다. MIM 구조 흡수체에 대한 이전 연구[32, 34] 및 우리의 발견과 비교하여, 인접한 Au 삼각형 사이에 커플링이 존재할 수 있지만 이러한 종류의 삼각형(매우 길고 날카로운 끝이 있는)의 작은 변화는 결과를 초래하지 않는다는 결론을 내릴 수 있습니다. 메인 피크의 이동 및 강화된 로컬 필드의 감소. 격리된 Au 삼각형의 팁에서 전기장의 국부적 향상(입사 필드의 ~ 48배)은 팁 크기 효과 또는 조명 막대 효과[33, 35]로 인해 MII의 주요 피크가 ~ 42% 흡수됩니다. 구조 모델. 큰 국부 전기장(입사 필드의> 54배)과 주요 피크의 높은 흡수(> 90%)는 Au 삼각형 디스크의 동시 조명 막대 효과와 SiO_{2 사이의 기본 자기 공명 모드에 기인해야 합니다.} 입사광에 반응하는 MIM 구조 어레이를 여기시키는 스페이서 층은 높은 흡수율로 주요 피크의 초협폭 FWHM을 생성합니다. 주요 흡수 피크의 FWHM은 일반 삼각형 디스크[32]를 가진 MIM 구조보다 훨씬 작아 감지 성능에 이점이 있습니다. 각 단위에서 삼각형을 반으로 나누는 MIM의 흡수 감소는 "핫스팟"의 밀도가 낮기 때문입니다[36]. 또한 Au 반사는 Au 디스크 사이에서 LSPR 흡수를 위한 추가 기회를 제공합니다. 따라서 삼각형 MIM 구조 어레이의 필드 향상은 Si의 단층 삼각형 어레이의 필드 향상보다 약간 높습니다[37]. 마지막으로 xoy의 전기장 평면(z =− 30 nm, MIM 어레이 모델의 상부 Au 층의 상부 표면)은 그림 2h에 나와 있습니다. Au 삼각형의 모든 끝에서 선명한 밝은 반점을 볼 수 있습니다. 그러나 반점이 x와 평행한 중심선에 놓여 있음을 알 수 있습니다. -축(편광 조명 방향)은 삼각형 꼭짓점이며 더 밝습니다. 이 현상은 Ref. [37, 38], 이는 주요 전기장 기여의 일부가 입사광과 평행한 평면 내 구성요소에서 비롯됨을 나타냅니다.

실험에서 인접 삼각형 사이의 간격이 존재하고 여러 방법으로 간격 크기(정확도 ~ 15 nm, 최소 평균 간격 값 10 nm)를 정밀하게 제어할 수 있기 때문에 [29, 30] 간격 크기를 다음으로 고정하도록 선택합니다. 다음 연구에서는 30nm입니다. 그런 다음 중간 SiO₂의 두께 레이어와 상단 Au 레이어는 각각 다릅니다. SiO₂의 두께 층이 증가하면 흡수 피크의 위치와 진폭이 빠르게 변하며 이는 그림 3a와 같습니다. SiO₂일 때 층이 얇고 LSPR 흡수만 존재하며 ~ 900nm에서 피크의 흡수가 낮습니다. SiO₂의 두께가 증가함에 따라 층에서 피크의 적색 편이가 발생하고 흡수가 90%에 도달합니다. 피크의 적색 편이의 이유는 SiO₂의 두께가 층이 증가하면 삼각형 배열을 둘러싼 유효 굴절률이 증가하여 플라즈몬 피크의 적색 편이가 발생합니다. 한편, 자기 공명은 SiO₂에서 형성됩니다. 층. 자기 공명과 결합된 Au 삼각형 내부의 전기 공명(LSPR)은 입사광에 반응하여 ~ 900nm에서 극도로 높은 흡수를 초래합니다. 또한 삼각형의 날카로운 끝은 피크의 좁은 FWHM을 약속합니다. SiO₂의 두께 범위용 층, 25~40nm, 흡수는 90%보다 높지만 피크의 FWHM은 SiO₂일 때 약간 더 작습니다. 두께는 25nm입니다. 전기모드와 자기모드 사이에 더 강한 결합이 일어나기 때문이다. 따라서 25nm의 SiO₂를 선택합니다. MIM 구조 센서의 광학 특성에 대한 상부 Au 레이어 효과를 계속 연구합니다. 관계는 그림 3b에 나와 있습니다. Au 삼각형의 두께가 10nm일 때 흡수가 낮습니다. 두께가 증가하면 피크 위치가 빨간색으로 이동하고 진폭이 증가합니다. 두께가 30nm로 증가하면 진폭이 90%에 도달합니다. 상단 Au 층의 두께가 계속 증가함에 따라 FWHM이 넓어지는 동안 흡수는 변하지 않습니다. FWHM은 3.5~6nm로 다양합니다. 이는 상부 Au 필름의 두께가 증가함에 따라 저항 손실이 증가하기 때문입니다. MIM 센서의 적절한 매개변수로 50nm의 상단 Au 레이어를 선택하고 피크의 FWHM은 5nm입니다. 적색 편이의 이유는 Au 삼각형의 두께가 증가하면 집단 충격에 관여하는 자유 전자의 수가 증가하고 전자기장의 지연 효과가 증가하기 때문입니다. 따라서 동일한 공진 여기에 필요한 에너지가 감소됩니다[39]. 많은 자유 전자가 공진에 참여함에 따라 진폭이 증가하고 피크의 FWHM이 매우 좁습니다. 피크 위치는 삼각형의 선명도 및 기하학적 치수와 관련이 있으며 삼각형 끝에 축적되는 자유 전자의 수가 많고 공명 여기에 필요한 에너지가 적고 공명 파장이 빨간색으로 이동합니다.

아 흡수 스펙트럼은 SiO₂의 두께에 따라 다릅니다. 레이어 증가. ㄴ 흡수 스펙트럼은 상단 삼각형 Au 어레이 층의 두께가 증가함에 따라 달라집니다.

감지 성능

위의 연구에서 우리는 삼각형 디스크의 인접한 팁 사이의 간격 크기, SiO₂ 두께의 최적화된 매개변수에 도달했습니다. 스페이서 및 상단 Au 디스크는 각각 30nm, 25nm, 50nm입니다. 이 부분에서는 이미 최적화된 매개변수를 고정하고 환경 굴절률에 따라 변하는 흡수 스펙트럼을 계산하여 그림 4와 같이 표시합니다. 환경의 굴절률이 증가함에 따라 극단적으로 좁고 높은 흡수 피크의 빠른 적색 편이를 볼 수 있습니다. . 각 피크의 FWHM은 약 5nm입니다. 우리는 각각 약 660nm/RIU 및 132인 RIS와 FOM을 계산합니다. 기존 패턴의 수치적 연구를 통한 센싱 특성 최적화 결과는 우수하다. 상업적으로 이용 가능한 마이크로스피어의 작은 크기 편차, 성숙한 마이크로스피어 자가 조립 기술 및 정밀한 갭 크기 제어 방법[29, 30] 덕분에 제안된 MIM 구조 센서는 솔루션 인덱스 및 식별 솔루션 감지에 실용적인 응용 프로그램을 찾을 수 있습니다.

흡수 피크는 환경 굴절률(1.33에서 1.36까지) 증가에 따라 달라집니다.