유전체 나노프리즘 기반 플라즈몬 센서

방법

제안된 구조의 기하학은 그림 1a에서 볼 수 있습니다. 빛은 일반적으로 이등변 나노프리즘 배열의 끝으로 입사합니다. 우리는 MgF₂를 고려합니다. 원하는 삼각형 모양을 갖는 주기적인 세로 홈으로 에칭 또는 패턴화될 수 있는 기판[20, 21]. 이 홈은 알루미늄 아연 산화물(AZO)로 채워져 있습니다. 이 물질은 나노패턴 기판 위에 스핀 코팅되어 우수한 생체적합성을 보장하는 금과 같은 금속 박막 증착을 위한 평면 인터페이스를 생성할 수 있습니다. 마지막으로, 우리는 바이오 샘플 조건을 모방하기 위해 테스트 중인 매체로 물을 고려했습니다. 재료에 대한 광학 상수는 MgF₂에 대해 [22]에서 얻었습니다. , [23] AZO, [24] 금. 이 재료 선택은 제조 제약 측면에서 장치의 실현 가능성에 대한 첫 번째 분석에 의해 안내되었습니다. 지수분포는 저굴절률 기질(MgF₂ ) 및 고굴절률 버퍼층(AZO)을 포함합니다. 수치 모델의 타당성을 분석할 때 광학 상수의 신뢰성은 핵심 요소입니다. 계산 모델을 개선하려면 장치 제조에 사용된 것과 동일한 기술 및 배열로 제조된 재료의 특성화가 필요합니다. 장치의 매개변수 최적화를 분석하는 한 각 재료에 대해 일반적으로 사용되는 참조에서 광학 상수를 추출합니다. 금의 경우 참조[24]의 값이 유사한 장치의 분석을 위한 문헌[1, 13, 25]에 널리 사용되었습니다.

아 제안된 구조의 개략도 및 b λ에서의 시간 평균 전력 흐름 =깔때기 메커니즘이 표시된 금속 층이 없는 제안된 구조의 경우 758 nm

제안된 재료 배열은 일부 HARDG에서 이미 관찰된 깔때기 효과를 향상시킵니다. HARDG의 깔때기 및 안내 효과는 SPR이 생성되는 금속 박막 쪽으로 방사선을 결합합니다.

예비 분석에서는 금속층을 포함하지 않고 구조의 기판 측면에서 수직으로 입사하는 TM 평면파를 고려합니다. 입사 전기장의 진폭은 1V/m입니다. 이 구조의 결과(그림 1b 참조)는 금속-유전체 인터페이스가 SPR을 생성하는 영역에 도달하는 프리즘을 통해 빛이 어떻게 깔때기되고 안내되는지 보여줍니다. 이 영역에서 사용할 수 있는 필드는 고전적인 Kretschmann 설정보다 더 강력합니다. 이 구성은 구조의 기하학적 매개변수에 의해 결정되는 일부 특정 파장에서 매우 강한 플라즈몬 공명을 보여줍니다. 또한 장치의 기하학적 구조와 재료 선택은 장치를 적절하게 작동시키는 데 매우 중요합니다. 시스템의 기하학은 버퍼와 금속층의 두께에 의해 결정됩니다. t _BL 그리고 t _엠 , 그리고 나노프리즘을 정의하는 매개변수(너비 및 높이, w _G 그리고 H ) 및 공간 주기성 P . 나노프리즘의 3차원 모양은 2차원 디자인에서 압출됩니다(그림 1a 참조). 프리즘 영역은 그루브 어레이와 평면 평행 버퍼 층을 정의하는 A와 B의 두 부분으로 나뉩니다. 이 두 영역은 동일한 재료 또는 두 가지 재료를 사용하여 제작할 수 있습니다. 이 두 가지 구성은 서로 다른 스펙트럼 동작을 생성합니다.

이 장치의 성능 분석은 유한 요소 방법을 기반으로 하는 전산 전자기 패키지(COMSOL Multiphysics)에 의해 수행됩니다. COMSOL 모델은 고전적 Kretschmann 구성의 거동을 평가하고 수치 결과를 해석 솔루션과 비교하여 긍정적으로 확인되었습니다[12]. 계산에서 얻은 결과는 두 가지 주요 목표로 설계를 최적화하는 데 사용되었습니다. SPR이 생성되는 위치(금속-물 계면)에서 필드 진폭을 늘리고 공진과 관련된 반사율 딥의 폭을 줄이는 것입니다. 이 공명은 반사율의 최대 반값 폭(FWHM)에 의해 매개변수화됩니다.

실제로 대부분의 SPR 센서는 분석 중인 매체의 굴절률 변화를 매우 잘 감지하기 때문에 굴절계로 작동합니다. 이 경우 민감도는 [13]과 같이 정의됩니다.

최소 반사율의 스펙트럼 위치 이동을 설명하는 Δ λ , 굴절률이 변할 때 Δ n . 감도는 nm/RIU로 표시되며, 여기서 RIU는 굴절률 단위를 나타냅니다. 다른 센서 기술을 비교하는 또 다른 매개변수는

이 매개변수는 반사율 감소의 스펙트럼 폭에 대한 감도의 비율이며 1/RIU로 지정됩니다. 이 성능 지수는 반사율의 최소값 위치에서 주어진 변화를 감지하는 주어진 시스템의 능력을 이미 고려합니다.

분석물 위치에서 필드 향상의 평가와 피크에서의 반사율 FWHM은 전용 컴퓨터를 사용하여 상당히 오랜 시간이 걸립니다. 이 사실은 다차원 최적화를 해결하기 어렵게 만듭니다. 게다가 성능 매개변수를 적절하게 결합한 메리트 함수의 정의가 필요합니다. 그런 다음 장치를 최적화하기 위해 한 번에 하나의 매개변수를 선택합니다. 이 전략은 각 기하학적 매개변수가 장치의 전체 성능을 어떻게 변경하는지 이해하는 데 적합합니다. 또한 스펙트럼 반사율의 필드 향상 및 FWHM을 모니터링하고 최적화하여 감도 및 FOM에 대해 더 높은 값을 얻습니다. 최적화 후 더 나은 응답을 생성하는 기하학적 매개변수가 t _BL =100 nm, t _엠 =30nm, w _G =325 nm 및 H =700 nm 및 P의 주기성 =550nm. 이러한 값은 제작 제약을 고려하여 얻은 것입니다. 이것이 최적화에 포함된 연속 값 사이에 25nm의 간격을 고려한 이유입니다. 또한 장치의 실현 가능성을 손상시킬 수 있는 초박형 또는 극도로 두꺼운 층의 사용을 피했습니다.

그림 2a는 공명 파장 λ에서 전기장의 모듈러스 맵을 보여줍니다. =1 V/m의 진폭을 갖는 들어오는 파면이 시스템을 비출 때 제안된 구조에 대해 758 nm. 편광은 TM 모드에 해당합니다. 최적화에 사용되는 파장은 임의로 선택되며 필요한 경우 주기 매개변수 P를 변경하여 이동할 수 있습니다. . 기존 Kretschmann 구성에서 얻은 결과와 결과를 비교하기 위해 동일한 파장 λ을 사용하여 성능을 평가합니다. =758 nm, 프리즘 조명. 그런 다음 BK7 유리/Au[50nm]/물의 경우 66.28°인 Kretschmann 프리즘에 대해 공명이 발생하는 입사각을 얻기 위해 반사율의 각도 의존성을 계산합니다. 고전적인 Kretschmann 설정과 나노프리즘 구성의 공진 시 정규화된 전기장이 그림 2b에 나와 있습니다. 그들은 나노프리즘에 의해 생성된 포커싱 효과(깔때기 및 안내)로 인해 분석 매질에서 소산 필드의 상당한 향상을 보여줍니다. 이 향상은 일반 입사 조건에서 작동하는 제안된 장치에서 더 큽니다. Krestchmann 구성과 관련하여 나노프리즘 장치로 얻은 필드 향상 외에도 Kretschmann 설정 및 제안에 대해 각각 180 및 300 nm의 예상 깊이를 따라 테스트 중인 매체 내에서 플라즈몬 공명이 전파되는 것을 볼 수 있습니다. 따라서 제안된 나노프리즘 구조의 상호작용 부피는 Krestchmann 설정보다 큽니다.

아 λ에서의 전기장의 모듈러스 맵 =1 V/m의 입력 전기장 진폭에 대해 758 nm이고 TM 모드(지도에 평행한 전기장)로 분극됩니다. ㄴ Krestchmann 구성(검은색 점선)에 대한 전파 방향을 따른 전기장 크기의 프로필 ) 및 나노프리즘 장치의 경우(빨간색 실선 )

감도 및 FOM 값(식 2 및 3)은 테스트 중인 매질의 굴절률을 변경할 때 반사율의 스펙트럼 거동에서 평가됩니다. 그림 3a에서 분석물의 굴절률에 대한 다양한 값에 대한 여러 반사율 곡선을 표시했습니다. 그림 3a는 분석물의 굴절률이 버퍼층 지수에 가까울 때 최소값의 선명도 저하를 보여줍니다. 금속막이 매우 얇은 이 상황에서는 굴절률의 차이가 작아지기 때문에 반사율이 작아집니다. S의 최대값 _나 그림 3b에서 얻은 FOM은 각각 250[nm/RIU] 및 100[1/RIU]입니다. 이 값은 기존 Kretschmann 구성에 대해 이전에 보고된 결과보다 높습니다[26-30]. 그러나 이러한 값은 S _나 및 FOM은 분석물의 굴절률을 변경할 때 일정하지 않습니다[30–33].

아 테스트 중인 매질의 굴절률 함수로 AZO를 완충층으로 사용하는 최적 설계를 위한 스펙트럼 반사율. 굴절률이 증가함에 따라 공명 피크의 선명도가 저하됩니다. ㄴ 테스트 중인 매체의 굴절률에 따른 감도(왼쪽 축 및 검은색 파선) 및 성능 지수(오른쪽 축 및 파란색 실선)

결과 및 토론

이전 최적화 과정에서 우리는 장치의 기하학적 구조에 주의를 기울였습니다. 이제 다양한 재료 선택이 장치의 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 분석합니다. 이를 위해 우리는 나노프리즘 영역과 금속 증착으로부터 나노프리즘을 분리하는 평면 평행 층을 구별합니다(그림 1a의 부분 A와 B). 그런 다음, 나노프리즘 재료는 여전히 AZO로 만들어져 스핀 코팅 기술을 사용하여 깔때기 특성과 제조 용이성을 유지합니다. 영역 B에서 AZO를 GaP([34]에서 얻은 광학 상수)로 대체합니다. 이 변경은 더 높은 지수로 이동할 때 반사율 피크의 선명도 저하를 해결합니다(그림 3a 참조). 최종 최적화된 설계를 분석할 때 이 비교를 재개하겠습니다. 이 동작은 센서의 안정성과 신뢰성을 향상시키는 데 큰 도움이 됩니다.

다음으로 분석할 재료는 SPR 생성에 사용되는 금속입니다. 금의 선택은 우수한 생체 적합성을 기반으로 합니다. 그러나 은([24]에서 얻은 광학 상수)은 더 강한 SPR을 생성하는 데 더 적합합니다. 두 가지 특성을 모두 활용하기 위해 우리는 은과 금으로 만들어진 바이메탈 층을 제조하기 위한 이중 연속 증착을 제안합니다. 그림 4a에서는 금속층에 대해 가능한 네 가지 옵션을 표시했습니다. 은의 반사율(그림 4a의 빨간색 선)은 금(그림 4a의 검은색 선)보다 반사율 피크가 더 날카롭고 좁으며 더 깊습니다. 은의 피크는 금 금속층의 공명보다 짧은 파장에 위치합니다. 이중층 구조에서 이러한 금속의 조합에 대한 스펙트럼 반사율은 두 개의 단일 금속 옵션 사이에 있으며, 금 층이 얇아질수록 더 나은 공명을 보여줍니다. 최적의 솔루션은 5nm 두께의 금으로 코팅된 25nm 두께의 은으로 만들어진 이중층입니다. 이 솔루션은 제조 기술 범위의 두께를 가진 두 금속을 결합합니다.

<그림>

아 금(검은색) 또는 은(빨간색)으로 만들어진 단일 금속 30nm 두께 레이어의 스펙트럼 반사율과 두 가지 두께 조합(파란색 및 녹색)의 바이메탈 레이어에 대한 스펙트럼 반사율. 노란색 화살표는 최적 배열(25nm-Ag / 5nm-Au)에 대한 응답을 선택합니다. ㄴ GaP 버퍼층을 사용한 최적 소자의 분광 반사율. 피크는 굴절률의 세 가지 다른 값에 대해 유사한 선명도를 보여줍니다. ㄷ 확장된 굴절률 범위에 최적화된 센서의 감도(왼쪽 축 및 검은색 점선) 및 FOM(오른쪽 축 및 파란색 실선). 수직선은 버퍼층을 AZO로, 금속층을 금으로 만든 이전 설계에서 분석한 한계를 나타냅니다.

이전에 고려한 바이메탈 레이어의 최적의 경우를 위해 굴절률의 여러 값에 대한 스펙트럼 응답을 그림 4b에 표시했습니다. Fig. 도 3a 및 4b를 참조하면 분석물의 굴절률에서 더 큰 범위에 대해 스펙트럼 피크의 선명도가 어떻게 유지되는지 확인할 수도 있습니다. 이러한 개선의 이유는 장치의 버퍼층 제조에 GaP를 사용하기 때문입니다. 그림 4c는 바이메탈 층(25nm 은/5nm 금)과 GaP 버퍼 층을 포함하는 최적화된 장치에 대한 감도 및 FOM 값을 포함합니다. 이 값은 단일 금속 금 레이어와 AZO 버퍼 레이어가 있는 그림 3b에 표시된 값보다 높습니다. 그림 4c에는 그림 3에서 분석된 설계가 스펙트럼 반사율 피크의 선명도를 저하시키기 시작하는 굴절률의 상한을 나타내는 수직 빨간색 선이 포함되어 있습니다. 최적의 구조는 최대 S _나 =450 nm/RIU, 넓은 범위의 굴절률 변화에 대해 안정적이며 160에서 220 1/RIU 범위의 FOM에 해당합니다.

이 값은 그래핀[28, 30, 35], 실리콘 나노구조[27], 유전체 또는 금속 격자[26, 29], 산화막[36], 금속 나노프리즘(은 나노프리즘 위에 금이 코팅된 ) [37]. 정상적인 사고에서 작동하지 않을 때 금 버섯과 같은 일부 다른 플라즈몬 구조는 더 높은 감도를 나타내지만 더 낮은 FOM을 나타냅니다[38].

결론

이 기여는 감지 표면에서 SPR을 생성하기 위해 사용 가능한 전력을 증가시키는 유전체 나노프리즘 압출 형상을 나타냅니다. 따라서 SPR은 분석물 내에서 더 깊숙이 확장되어 결과적으로 상호 작용 부피가 증가합니다. 이 특성은 시스템 감지 한계를 낮춰야 합니다. 이 장치는 정상적인 입사 조건에서 작동합니다. 이것은 예를 들어 광섬유 끝에 센서를 배치하는 것과 같이 조명 및 질문 시스템의 더 쉬운 통합을 가능하게 합니다. 시스템의 성능은 이 분야에서 이전에 보고된 결과보다 좋습니다. 감도는 굴절률의 넓은 범위(1.33에서 1.39까지)에 대해 약 450nm/RIU의 안정기를 보여줍니다. FOM도 크고 1.33에서 1.43 사이의 전체 굴절률 범위에서 최소값이 160이고 최대값이 2201/RIU입니다. 이러한 성능 수치를 얻기 위해 기하학적 매개변수와 재료 선택을 변경하여 설계를 최적화했습니다. 우리는 또한 스핀 코팅과 관련된 제조 전략에 통합될 수 있는 재료를 고려했습니다. 이것은 장치의 평탄화를 허용하고 굴절률 일치 조건을 방해하지 않습니다. 이 최적화에서 우리는 항상 제조 가능성을 염두에 두고 장치를 손상시킬 수 있는 매우 좁은 기능을 피했습니다. 재료 선택 측면의 최적화는 AZO를 버퍼층에서 GaP로 대체하여 굴절률 범위를 1.40에서 1.43으로 확장했습니다. 또한 우리는 은의 우수한 플라즈몬 반응과 금의 생체 적합성을 활용하는 은-금 바이메탈 층을 측정했습니다. 여기에 제시된 나노프리즘 구조는 정상 입사 설정을 허용하여 작동 용이성을 개선하고 액체와 관련된 생물 의학, 환경 또는 산업 응용 분야에 사용할 수 있습니다.

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