Sebuah array periodik nanoprisma diekstrusi diusulkan untuk menghasilkan resonansi plasmon permukaan untuk aplikasi penginderaan. Panduan nanoprisma dan cahaya corong menuju antarmuka logam-dielektrik di mana dielektrik bertindak sebagai media yang diuji. Sistem bekerja dalam kondisi kejadian normal dan diinterogasi secara spektral. Performanya lebih baik daripada konfigurasi Kretschmann klasik, dan nilai sensitivitas serta figure of merit bersaing dengan teknologi sensor plasmonic lainnya. Geometri dan pilihan bahan telah dibuat dengan mempertimbangkan batasan fabrikasi yang berlaku.
Latar Belakang
Penggunaan resonansi plasmon permukaan (SPR) untuk penginderaan optik mendapat perhatian besar karena mereka menyediakan perangkat bebas label untuk ilmu biomedis dan material. Sensor ini bekerja dengan prosedur interogasi spektral atau sudut [1-5], dan beberapa di antaranya memanfaatkan perubahan kolorimetri yang dapat dideteksi oleh sistem visual manusia [6, 7] Pengaturan dasar untuk eksitasi resonansi plasmon permukaan adalah konfigurasi klasik Kretschmann [8] di mana cahaya datang pada sudut tertentu pada lembaran logam tipis dari prisma transparan dielektrik yang bersentuhan langsung dengan lapisan logam [9]. Konfigurasi Otto juga menggunakan prisma, tetapi sekarang lapisan logam dipisahkan dari prisma oleh ruang tipis tempat resonansi plasmon berlangsung [10]. Variasi dari konfigurasi klasik sebelumnya menggunakan lensa hemispherical dan grating yang memasangkan radiasi pada antarmuka resonansi plasmon [11]. Output dari pengaturan Krestschmann tergantung pada kondisi pencocokan vektor gelombang yang harus dipenuhi untuk sudut datang tertentu pada antarmuka dielektrik logam. Kondisi ini dapat ditulis sebagai
dimana nP adalah indeks bias prisma dan β
SP
adalah konstanta propagasi plasmon permukaan yang dihasilkan pada sudut datang θr [12, 13]. Sudut datang biasanya cukup besar, dan fakta ini terkadang membatasi jangkauan operasional dan kemudahan pengoperasian perangkat. Untuk mengatasi kendala ini, beberapa proposal untuk sensor SPR terintegrasi telah dianalisis dalam literatur. Misalnya, alur yang sangat sempit pada film logam tipis mengeksitasi SPR dalam kondisi kejadian normal [14]. Namun, lebar alur yang sangat sempit, dalam kisaran 3 nm, dapat membahayakan fabrikasi perangkat. Pendekatan serupa yang dicapai secara eksperimental adalah eksitasi SPR menggunakan nanocavities logam sempit [15]. Pendekatan lain telah ditunjukkan secara teoritis menggunakan kisi-kisi logam tertanam dalam substrat kaca, memperoleh reflektansi spektral menunjukkan dips akut dengan lebar atau sekitar 3 nm [16]. Pendekatan ini memungkinkan kondisi kejadian normal, dan metode interogasi sekarang didasarkan pada variasi spektral dari cahaya yang dipantulkan. Inilah sebabnya mengapa fitur spektral tajam sangat dihargai untuk meningkatkan kinerja sensor tersebut. Kami telah memilih reflektifitas spektral untuk memungkinkan membaca sinyal dari sisi kejadian. Peningkatan penyerapan optik yang dihasilkan oleh struktur nano plasmonik yang tereksitasi pada kondisi kejadian normal juga memberikan alternatif untuk konfigurasi Kretschmann. Pendekatan ini menggunakan penyerapan sebagai parameter penginderaan untuk deteksi foto [17, 18].
Dalam kontribusi ini, kami mengusulkan untuk mempertahankan kondisi kejadian normal untuk cahaya yang masuk dan memanfaatkan mekanisme penyaluran dalam struktur dielektrik untuk mengarahkan cahaya ke lokasi di mana SPR dihasilkan. High-aspect ratio dielectric gratings (HARDG) telah diusulkan untuk memandu cahaya ke dalam lapisan aktif sel fotovoltaik [19]. Konsep yang sama berlaku untuk perangkat penginderaan yang mengarahkan cahaya ke antarmuka logam-dielektrik yang diinginkan. Dalam kontribusi ini, kami mengusulkan penggunaan nanoprisma yang tertanam pada substrat dielektrik yang datar dan berdekatan dengan lapisan dielektrik logam yang digunakan untuk penginderaan melalui eksitasi SPR. Struktur ini menyalurkan radiasi yang masuk dengan lebih efisien, dan oleh karena itu, resonansi plasmon mendapat manfaat dari peningkatan energi yang mencapai bidang yang diinginkan. Perangkat yang diusulkan berkinerja lebih baik daripada struktur serupa dan memiliki susunan geometris dan material yang layak dan dapat dibuat dengan teknik fabrikasi nano standar.
Metode
Geometri struktur yang diusulkan dapat dilihat pada Gambar 1a. Cahaya biasanya datang ke arah ujung susunan nanoprisma sama kaki. Kami menganggap MgF2 substrat yang dapat tergores, atau berpola, dengan alur longitudinal periodik yang memiliki bentuk segitiga yang diinginkan [20, 21]. Alur ini diisi dengan aluminium seng oksida (AZO). Bahan ini dapat dilapisi spin di atas substrat berpola nano untuk menghasilkan antarmuka planar untuk pengendapan film tipis logam, misalnya, emas untuk memastikan biokompatibilitas yang baik. Akhirnya, kami telah mempertimbangkan air sebagai media yang diuji untuk meniru kondisi biosampel. Konstanta optik untuk bahan telah diperoleh dari [22] untuk MgF2 , [23] untuk AZO, dan [24] untuk emas. Pemilihan bahan ini telah dipandu oleh analisis pertama kelayakan perangkat dalam hal kendala fabrikasi. Distribusi indeks sesuai ketika mempertimbangkan kecocokan antara substrat indeks rendah (MgF2 ) dan lapisan buffer indeks tinggi (AZO). Keandalan konstanta optik merupakan faktor kunci ketika menganalisis validitas model numerik. Penyempurnaan model komputasi harus memerlukan karakterisasi bahan yang dibuat dengan teknik dan pengaturan yang sama yang digunakan untuk membuat perangkat. Sejauh kami menganalisis optimasi parametrik perangkat, kami mengekstrak konstanta optik dari referensi yang umum digunakan untuk setiap bahan. Dalam kasus emas, nilai dari referensi [24] telah banyak digunakan dalam literatur untuk analisis perangkat serupa [1, 13, 25].
a Diagram skema dari struktur yang diusulkan dan b aliran daya rata-rata waktu di λ =758 nm untuk struktur yang diusulkan tanpa lapisan logam tempat mekanisme penyaluran ditampilkan
Susunan material yang diusulkan meningkatkan efek corong yang telah diamati di beberapa HARDG. Efek penyaluran dan pemandu dalam HARDG memasangkan radiasi menuju film logam tipis tempat SPR dihasilkan.
Analisis pendahuluan mempertimbangkan gelombang bidang TM yang biasanya datang dari sisi substrat pada struktur, tanpa menggabungkan lapisan logam. Amplitudo medan listrik yang datang adalah 1 V/m. Hasil untuk struktur ini (lihat Gbr. 1b) menunjukkan bagaimana cahaya disalurkan dan dipandu melalui prisma mencapai wilayah di mana antarmuka logam-dielektrik menghasilkan SPR. Bidang yang tersedia di wilayah ini lebih kuat daripada pengaturan Kretschmann klasik. Konfigurasi ini menunjukkan resonansi plasmonik yang sangat kuat pada beberapa panjang gelombang tertentu yang ditentukan oleh parameter geometris struktur. Selain itu, geometri perangkat dan pilihan bahan sangat penting untuk mengoperasikan perangkat dengan benar. Geometri sistem ditentukan oleh ketebalan penyangga dan lapisan logam, tBL dan tM , dan dengan parameter yang mendefinisikan nanoprisma (lebar dan tinggi, wG dan H ), dan periodisitas spasialnya, P . Bentuk tiga dimensi nanoprisma diekstrusi dari desain dua dimensi (lihat Gambar 1a). Daerah prisma dibagi menjadi dua bagian, A dan B, yang mendefinisikan susunan alur dan lapisan penyangga bidang-paralel. Kedua daerah ini dapat dibuat dengan bahan yang sama atau menggunakan dua bahan. Kedua konfigurasi ini akan menghasilkan perilaku spektral yang berbeda.
Analisis kinerja perangkat ini dilakukan dengan paket komputasi elektromagnetisme (COMSOL Multiphysics) berdasarkan metode elemen hingga. Model COMSOL telah diperiksa secara positif dengan mengevaluasi perilaku konfigurasi Kretschmann klasik dan membandingkan hasil numerik dengan solusi analitik [12]. Hasil yang diperoleh dari perhitungan telah digunakan untuk mengoptimalkan desain dengan dua tujuan utama:untuk meningkatkan amplitudo medan di lokasi di mana SPR dihasilkan (antarmuka logam-air) dan untuk mengurangi lebar kemiringan reflektansi yang terkait dengan resonansi. Resonansi ini diparameterisasi oleh reflektansi full-width-at-half-maximum (FWHM).
Sebenarnya, sebagian besar sensor SPR bekerja sebagai refraktometer karena mereka merasakan perubahan indeks bias medium yang dianalisis dengan sangat baik. Dalam hal ini, sensitivitas didefinisikan sebagai [13]:
$$ S_{B}=\frac{\Delta \lambda}{\Delta n} $$ (2)
yang menggambarkan pergeseran lokasi spektral dari reflektansi minimum, Δλ , ketika indeks bias berubah, Δn . Sensitivitas diberikan sebagai nm/RIU, di mana RIU menunjukkan unit indeks bias. Parameter lain untuk membandingkan teknologi sensor yang berbeda adalah figure of merit (FOM) yang didefinisikan sebagai
$$ \text{FOM} =\frac{S_{B}}{\text{FWHM}}. $$ (3)
Parameter ini adalah rasio sensitivitas terhadap lebar spektral dari kemiringan reflektansi, dan diberikan sebagai 1/RIU. Angka prestasi ini sudah mempertimbangkan kemampuan sistem tertentu untuk merasakan perubahan tertentu di lokasi pemantulan minimum.
Evaluasi peningkatan medan di lokasi analit, dan reflektansi FWHM di puncak membutuhkan waktu yang cukup lama dengan menggunakan komputer khusus. Fakta ini membuat optimasi multidimensi lebih sulit untuk dipecahkan. Selain itu, perlu definisi fungsi merit yang menggabungkan parameter kinerja dengan benar. Kemudian, kami memilih untuk mengambil satu parameter sekaligus untuk mengoptimalkan perangkat. Strategi ini sangat cocok untuk memahami bagaimana setiap parameter geometris mengubah kinerja perangkat secara keseluruhan. Selain itu, dengan memantau dan mengoptimalkan peningkatan bidang dan FWHM dari reflektansi spektral, kami juga memperoleh nilai sensitivitas dan FOM yang lebih tinggi. Setelah optimasi, kami menemukan bahwa parameter geometris yang menghasilkan respons yang lebih baik adalah tBL =100 nm, tM =30 nm, wG =325 nm, dan H =700 nm dan periodisitas P =550nm. Nilai-nilai ini telah diperoleh dengan mempertimbangkan kendala fabrikasi. Inilah mengapa kami mempertimbangkan langkah 25 nm antara nilai berurutan yang disertakan dalam pengoptimalan. Kami juga menghindari penggunaan lapisan ultra-tipis atau ultra-tebal yang dapat membahayakan kelayakan perangkat.
Gambar 2a menunjukkan peta modulus medan listrik pada panjang gelombang resonansi λ =758 nm untuk struktur yang diusulkan ketika muka gelombang masuk yang memiliki amplitudo 1 V/m menerangi sistem. Polarisasi sesuai dengan mode TM. Panjang gelombang yang digunakan untuk optimasi dipilih secara sewenang-wenang dan, jika perlu, dapat digeser dengan mengubah parameter periode, P . Untuk membandingkan hasil kami dengan yang diperoleh dari konfigurasi Kretschmann klasik, kami mengevaluasi kinerjanya menggunakan panjang gelombang yang sama, λ =758 nm, untuk menerangi prisma. Kemudian, kami menghitung ketergantungan sudut reflektifitas untuk mendapatkan sudut datang di mana resonansi terjadi untuk prisma Kretschmann, yaitu 66,28° untuk kaca BK7/Au [50 nm]/air. Medan listrik yang dinormalisasi pada resonansi untuk pengaturan Kretschmann klasik dan konfigurasi nanoprisma disajikan pada Gambar. 2b. Mereka menunjukkan peningkatan yang signifikan dari bidang cepat berlalu dr ingatan dalam media analit karena efek fokus (menyalurkan dan membimbing) yang dihasilkan oleh nanoprism tersebut. Peningkatan ini lebih besar pada perangkat yang diusulkan yang bekerja dalam kondisi kejadian normal. Selain peningkatan lapangan yang diperoleh dengan perangkat nanoprism sehubungan dengan konfigurasi Krestchmann, kita dapat melihat bahwa resonansi plasmon merambat dalam media yang diuji sepanjang perkiraan kedalaman 180 dan 300 nm untuk pengaturan Kretschmann dan proposal kami, masing-masing. Oleh karena itu, volume interaksi struktur nanoprisma yang diusulkan lebih besar daripada di pengaturan Krestchmann.
a Peta modulus medan listrik di λ =758 nm untuk amplitudo medan listrik input 1 V/m dan terpolarisasi sebagai mode TM (medan listrik sejajar dengan peta). b Profil besar medan listrik sepanjang arah rambat untuk konfigurasi Krestchmann (garis putus-putus hitam ) dan untuk perangkat nanoprisma (garis merah solid )
Nilai sensitivitas dan FOM (Persamaan 2 dan 3) dievaluasi dari perilaku spektral pemantulan saat mengubah indeks bias medium yang diuji. Pada Gambar. 3a, kami telah memplot beberapa kurva reflektansi untuk nilai indeks bias analit yang berbeda. Gambar 3a menunjukkan penurunan ketajaman minimum ketika indeks bias analit menjadi lebih dekat dengan indeks lapisan buffer. Dalam situasi ini, yang melibatkan film logam yang sangat tipis, reflektansi menjadi lebih kecil karena perbedaan indeks bias berkurang. Nilai maksimum untuk SB dan FOM yang diperoleh dari Gambar 3b masing-masing adalah 250 [nm/RIU] dan 100 [1/RIU]. Nilai-nilai ini lebih tinggi dari hasil yang dilaporkan sebelumnya untuk konfigurasi Kretschmann klasik [26-30]. Namun, nilai ini untuk keduanya SB dan FOM tidak konstan ketika mengubah indeks bias analit [30-33].
a Reflektansi spektral untuk desain optimal yang menggunakan AZO sebagai lapisan penyangga sebagai fungsi indeks bias medium yang diuji. Ketajaman puncak resonansi menurun seiring dengan meningkatnya indeks bias. b Sensitivitas (sumbu kiri dan garis putus-putus hitam) dan angka manfaat (sumbu kanan dan garis solid biru) sebagai fungsi indeks bias medium yang diuji
Hasil dan Diskusi
Dalam proses pengoptimalan sebelumnya, kami memperhatikan geometri perangkat. Sekarang, kami menganalisis bagaimana pilihan bahan yang berbeda dapat meningkatkan kinerja perangkat. Untuk melakukan itu, kami membedakan antara wilayah nanoprisma dan lapisan bidang-paralel yang memisahkan nanoprisma dari deposisi logam (bagian A dan B pada Gambar 1a). Kemudian, bahan nanoprisma masih dibuat dari AZO untuk menjaga karakteristik funneling dan kemudahan fabrikasi menggunakan teknik spin-coating. Di wilayah B, kami mengganti AZO dengan GaP (konstanta optik diperoleh dari [34]). Perubahan ini memecahkan degradasi ketajaman puncak reflektansi saat berpindah ke indeks yang lebih tinggi (lihat Gbr. 3a). Saat menganalisis desain akhir yang dioptimalkan, kami akan melanjutkan perbandingan ini. Perilaku ini sangat dihargai untuk meningkatkan stabilitas dan keandalan sensor.
Bahan selanjutnya untuk dianalisis adalah logam yang digunakan untuk pembangkitan SPR. Pemilihan emas didasarkan pada biokompatibilitasnya yang baik. Namun, perak (konstanta optik yang diperoleh dari [24]) lebih cocok untuk menghasilkan SPR yang lebih kuat. Untuk mengambil keuntungan dari kedua karakteristik, kami mengusulkan deposisi ganda berturut-turut untuk membuat lapisan bi-logam yang terbuat dari perak dan emas. Pada Gambar. 4a, kami telah memplot empat opsi yang memungkinkan untuk lapisan logam. Pantulan perak (garis merah pada Gambar 4a) menunjukkan puncak pemantulan yang lebih tajam, lebih sempit, dan lebih dalam daripada emas (garis hitam pada Gambar 4a). Puncak untuk perak terletak pada panjang gelombang yang lebih pendek daripada resonansi untuk lapisan logam emas. Reflektansi spektral untuk kombinasi logam-logam ini dalam struktur bilayer terletak di antara dua opsi logam tunggal, menunjukkan resonansi yang lebih baik karena lapisan emas menjadi lebih tipis. Solusi optimal adalah lapisan ganda yang terbuat dari perak setebal 25 nm yang dilapisi dengan emas setebal 5 nm. Solusi ini menggabungkan kedua logam dengan ketebalan dalam kisaran teknologi fabrikasi.
a Pemantulan spektral untuk lapisan logam tunggal setebal 30 nm yang terbuat dari emas (hitam) atau perak (merah), dan untuk lapisan bi-logam untuk kombinasi dua ketebalan (biru dan hijau). Panah kuning memilih respons untuk pengaturan optimal (25 nm-Ag / 5 nm-Au). b Reflektivitas spektral perangkat optimal yang menggunakan lapisan buffer GaP. Puncak-puncak tersebut menunjukkan ketajaman yang sama untuk tiga nilai indeks bias yang berbeda. c Sensitivitas (sumbu kiri dan garis putus-putus hitam) dan FOM (sumbu kanan dan garis solid biru) dari sensor yang dioptimalkan untuk rentang indeks bias yang diperluas. Garis vertikal menunjukkan batas yang dianalisis pada desain sebelumnya di mana lapisan penyangga terbuat dari AZO dan lapisan logam terbuat dari emas
Untuk kasus optimal dari lapisan bi-logam yang dipertimbangkan sebelumnya, kami telah memplot pada Gambar 4b respons spektral untuk beberapa nilai indeks bias. Ketika membandingkan reflektansi spektral pada Gambar. 3a dan 4b, kita juga dapat memeriksa bagaimana ketajaman puncak spektral dipertahankan untuk rentang yang lebih besar dalam indeks bias analit. Alasan untuk peningkatan ini adalah penggunaan GaP dalam pembuatan lapisan penyangga perangkat. Gambar 4c berisi nilai sensitivitas dan FOM untuk perangkat yang dioptimalkan yang berisi lapisan bimetalik (perak 25 nm/5 nm emas) dan lapisan buffer GaP. Nilai ini lebih tinggi daripada yang disajikan pada Gambar. 3b di mana kami memiliki lapisan emas satu logam dan lapisan penyangga AZO. Gambar 4c menyertakan garis merah vertikal yang menandakan batas atas dalam indeks bias di mana desain yang dianalisis pada Gambar 3 mulai menurunkan ketajaman puncak reflektansi spektral. Struktur optimal memiliki S . maksimum B =450 nm/RIU, yang stabil pada berbagai perubahan indeks bias dan sesuai dengan FOM mulai dari 160 hingga 2201/RIU.
Nilai-nilai ini lebih baik daripada beberapa proposal terbaru yang menggunakan graphene [28, 30, 35], struktur nano silikon [27], kisi dielektrik atau logam [26, 29], film oksida [36], dan nanoprisma logam (dilapisi emas di atas nanoprisma perak). ) [37]. Ketika tidak bekerja pada kejadian normal, beberapa struktur plasmonik lainnya, seperti jamur emas, menunjukkan sensitivitas yang lebih tinggi tetapi FOM yang lebih rendah [38].
Kesimpulan
Kontribusi ini menghadirkan geometri ekstrusi nanoprisma dielektrik yang meningkatkan daya yang tersedia untuk menghasilkan SPR pada permukaan penginderaan. Oleh karena itu, SPR meluas lebih dalam di dalam analit dan, akibatnya, meningkatkan volume interaksinya. Karakteristik ini harus menurunkan batas deteksi sistem. Perangkat bekerja dalam kondisi kejadian normal. Hal ini memungkinkan integrasi sistem penerangan dan interogasi yang lebih mudah, misalnya menempatkan sensor di ujung serat optik. Kinerja sistem lebih baik dari hasil yang dilaporkan sebelumnya di bidang ini. Sensitivitas menunjukkan dataran tinggi sekitar 450 nm/RIU untuk rentang indeks bias yang besar (dari 1,33 hingga 1,39). Angka merit, FOM, juga besar dan memiliki nilai minimal 160 dan maksimal 2201/RIU pada seluruh rentang indeks bias antara 1,33 dan 1,43. Untuk mendapatkan angka-angka ini dalam kinerja, desain telah dioptimalkan dengan mengubah parameter geometris dan pilihan materialnya. Kami juga telah mempertimbangkan bahan yang dapat digabungkan dalam strategi fabrikasi yang melibatkan pelapisan spin. Hal ini memungkinkan planarisasi perangkat dan tidak mengganggu kondisi pencocokan indeks refraksi. Dalam pengoptimalan ini, kami selalu mempertimbangkan kelayakan fabrikasi, menghindari fitur yang sangat sempit yang dapat membahayakan perangkat. Optimalisasi dalam hal pilihan material telah menggantikan AZO dengan GaP pada lapisan penyangga untuk memperluas kisaran indeks bias dari 1,40 menjadi 1,43. Selain itu, kami telah mengukur lapisan bimetalik perak-emas yang memanfaatkan respons plasmonik yang baik dari perak dan biokompatibilitas emas. Struktur nanoprisma yang disajikan di sini meningkatkan kemudahan operasional, memungkinkan pengaturan insiden normal, dan dapat digunakan untuk aplikasi biomedis, lingkungan, atau industri yang melibatkan cairan.
