Pendeteksi Indeks Biasa Tinggi dengan Array Segitiga Au/SiO₂ pada Substrat Emas Reflektif
Abstrak
Untuk meningkatkan kemampuan pendeteksian indeks bias (RI) dari array partikel sederhana, kami menyelidiki arsitektur tiga lapis yang terdiri dari array segitiga Au/SiO₂ di atas substrat Au reflektif. Dimensi segitiga secara sistematis ditingkatkan, dan ujung-ujungnya diperpanjang, berdasarkan imprestamping mikrosfer-litografi yang secara eksperimental dapat dilakukan. Simulasi numerik menunjukkan peningkatan medan listrik lokal yang mencolok (hingga 61× medan insiden) yang dihubungkan dengan penyerapan tinggi, yang berasal dari resonansi segitiga Au, kopling plasmonik antara segitiga dan film Au, serta pemadatan segitiga. Puncak penyerapan tetap stabil ketika jarak ujung-ke-ujung bervariasi dari 10 nm hingga 50 nm. Peningkatan ketebal spasi SiO₂ dari 10 nm hingga 50 nm menggeser puncak ke panjang gelombang yang lebih lama dan dengan cepat meningkatkan amplitudnya, menekankan dominansi resonansi mode celah antara dua lapis Au. Demikian pula, peningkatan ketebal Au atas dari 10 nm hingga 50 nm menggeser puncak ke merah sambil meningkatkan amplitudnya. Lebar setengah maksimum (FWHM) dari puncak penyerapan tinggi (>90 %) adalah ~5 nm. Ketika RI lingkungan ditingkatkan dari 1,33 menjadi 1,36, puncak bergeser dengan cepat, menghasilkan sensitivitas indeks bias sebesar 660 nm/RIU dan nilai layak (FOM) sebesar 132. Array ini dapat diproduksi melalui masker mikrosfer dan sangat cocok untuk memantau RI cair dan membedakan fase gas atau cair.
Highlight
Struktur segitiga MIM seragam dengan ujung yang panjang dan tajam menghasilkan peningkatan medan elektromagnetik lokal yang jauh lebih kuat dan pita penyerapan yang sangat sempit.
Pengaturan array yang padat dari segitiga MIM memastikan efisiensi penyerapan tinggi.
FWHM yang sangat sempit dari puncak penyerapan menjadi dasar performa pendeteksian indeks bias yang unggul struktur ini.
Latar Belakang
Resonansi plasmon permukaan lokal (LSPR) dalam partikel logam dan array struktur nano secara efisien memekatkan cahaya, terutama ketika fitur kecil atau memiliki tepi tajam, yang mengarah pada peningkatan medan lokal yang ekstrim yang telah menarik minat penelitian luas. Berbagai film logam lapisan pola dan lapisan logam/dielektrik/logam (MIM) telah diusulkan untuk aplikasi yang bervariasi dari sensor plasmon dan penyerap broadband hingga pemancaran Raman permukaan yang ditingkatkan, konduktor transparan, dan konverter polarisasi. Teknik litografi konvensional—elektron-balok, ion-balok difokuskan, dan interferensi balok ganda—terbatas oleh biaya, throughput rendah, dan keterbatasan resolusi, terutama untuk array luas dengan ujung tajam sub-10-nm. Litografi yang dibantu mikrosfer mengatasi keterbatasan ini, memungkinkan array segitiga, bulan sabit, dan bintang luas dengan sudut yang sangat tajam dengan biaya rendah. Sudut tajam sangat penting untuk sensor berkinerja tinggi karena mereka memplifikasikan medan lokal dan menyempitkan garis resonansi, yang meningkatkan sensitivitas indeks bias (RIS) dan nilai layak (FOM = RIS/FWHM). Perkembangan terbaru, seperti biosensor metamaterial hiperbolik dengan RIS 30.000 nm/RIU dan FWHM yang sangat sempit 3 nm dalam struktur nano yang dirancang, menunjukkan potensi pendekatan ini, meskipun implementasi praktis masih menantang karena penyerapan rendah dan kompleksitas produksi. Array segitiga, karena ujung tajam yang melekat, biasanya lebih unggul dibandingkan morfologi lain, namun produksi konvensional menggunakan bola 500-nm atau lebih kecil menghasilkan deviasi ukuran yang signifikan dan melebarkan spektrum penyerapan, yang membatasi RIS menjadi <500 nm/RIU dan FOM <50. Bola yang lebih besar menjanjikan seragamnya ukuran yang lebih baik dan lengan segitiga yang lebih panjang, yang potensialmente meningkatkan performa pendeteksian. Dalam karya ini, kami merancang struktur tiga lapis Au/SiO₂/Au (MIM) dengan array segitiga yang diproduksi oleh litografi mikrosfer, mempelajari peran jarak ujung-ke-ujung, ketebalan spasi dan lapisan atas secara sistematis, dan mengoptimalkan struktur untuk penyerapan dan performa pendeteksian maksimum.
Metode
Simulasi elektromagnetik dilakukan menggunakan CST Microwave Studio. Model sel unit (Gambar 1) mencakup substrat Au reflektif (tebal 100 nm), spasi SiO₂, dan array segitiga Au atas. Kondisi batas periodik diterapkan pada bidang xy dan batas terbuka sepanjang z. Gelombang datar dengan amplitudo 1 V/m, insiden sepanjang +z dan polarisasi sepanjang +x, menerangi struktur. Konstanta optik bahan diambil dari literatur. Jarak pusat-ke-pusat segitiga yang berdekatan ditetapkan pada 900 nm sementara jarak ujung-ke-ujung, ketebalan SiO₂, dan ketebal Au atas diubah secara sistematis. Spektrum penyerapan (A = 1 − R) dan distribusi diekstraksi. Sensitivitas indeks bias diperoleh dengan mengubah RI lingkungan dari 1,33 hingga 1,36.
Skematis sensor struktur MIM. a Tampilan perspektif. b Tampilan penampang. c dan d Tampilan atas.
Hasil dan Pembahasan
Sifat Optik
Kami pertama-tama menetapkan ketebal Au atas dan spasi masing-masing 30 nm dan mempertahankan substrat Au pada 100 nm untuk memastikan refleksi penuh (T≈0). Dengan RI lingkungan tetap pada 1,34, kami memeriksa bagaimana jarak ujung-ke-ujung mempengaruhi spektrum penyerapan. Gambar 2a menunjukkan bahwa jarak dari 10 nm hingga 50 nm tidak menggeser puncak utama (~900 nm) maupun amplitudnya, yang menunjukkan bahwa puncak berasal dari unit MIM terisolasi daripada kopling antar-partikel. Array langka dengan jarak >500 nm mengonfirmasi ini, menghasilkan posisi puncak yang serupa tetapi penyerapan yang jauh lebih rendah. Penggantian film Au bawah dengan SiO₂ (konfigurasi MII) menghasilkan puncak pada ~1000 nm yang terkait dengan resonansi jaring permukaan, tetapi amplitudnya jauh lebih rendah dibandingkan kasus MIM, menekankan pentingnya substrat reflektif.
Spektrum penyerapan versus jarak ujung-ke-ujung untuk (a) MIM dan (b) array MII. Inset di (a) menunjukkan unit MIM terisolasi. (c)–(e) Medan listrik |E| pada bidang x-z untuk jarak 20 nm, 30 nm, dan 50 nm. (f) |E| untuk array MII dengan jarak 30 nm. (g) Medan magnet |H| pada bidang x-z untuk array MIM. (h) |E| pada bidang x-y di permukaan atas (z = −30 nm).
Peta medan mengungkapkan bahwa |E| maksimum terjadi di ujung segitiga (≈54–61× medan insiden) ketika jarak ≤20 nm, dan di tengah celah untuk jarak yang lebih besar, tetapi distribusi keseluruhan tetap terlokalisasi. Spasi SiO₂ menghosting resonansi magnet yang kuat, sementara segitiga Au mempertahankan dipol elektrik terang. Kopling mereka menghasilkan puncak penyerapan tinggi dengan FWHM yang sangat sempit (~5 nm). Performa ini melebihi array segitiga lapisan tunggal konvensional karena efek tongkat petir yang digabungkan dengan resonansi magnet dalam spesi. Penyesuaian ketebalan SiO₂ dari 10 nm hingga 50 nm menggeser puncak ke panjang gelombang yang lebih lama dan meningkatkan penyerapan: spesi tipis (≤20 nm) menunjukkan puncak LSPR lemah (~900 nm), sedangkan spesi 25–40 nm mencapai >90 % penyerapan dengan FWHM <6 nm. Untuk lapisan Au atas, ketebalan 10 nm hingga 50 nm diuji. Au tipis (10 nm) menghasilkan penyerapan rendah; peningkatan ketebalan menggeser puncak ke merah dan meningkatkan amplitudo, mencapai >90 % pada 30 nm. Peningkatan lebih lanjut menjadi 50 nm mempertahankan penyerapan tinggi sambil mempertahankan FWHM yang sempit (~5 nm). Pergeseran merah dikaitkan dengan partisipasi elektron bebas yang meningkat dan kebutuhan energi resonansi yang dikurangi.
Performa Pendeteksian
Dengan parameter yang dioptimalkan—jarak ujung-ke-ujung 30 nm, spasi SiO₂ 25 nm, dan Au atas 50 nm—kami mengevaluasi sensitivitas indeks bias. Gambar 4 menunjukkan geser merah yang cepat dari puncak penyerapan tinggi seiring dengan peningkatan RI lingkungan dari 1,33 menjadi 1,36. Puncak tetap pada ~900 nm dengan FWHM ~5 nm. RIS yang dihitung adalah 660 nm/RIU dan FOM mencapai 132, keduanya jauh lebih unggul dibandingkan array segitiga yang dilaporkan sebelumnya. Kombinasi pemadatan yang padat, ujung tajam, dan kopling MIM menghasilkan resonansi yang sangat sempit yang sangat responsif terhadap perubahan lingkungan, membuat struktur ini ideal untuk pemantauan indeks bias fase cair dan diskriminasi fase gas-cair.
Geser puncak penyerapan dengan RI lingkungan yang bervariasi (1,33–1,36).
Kesimpulan
Studi numerik menunjukkan bahwa array segitiga MIM Au/SiO₂ mencapai peningkatan medan listrik lokal yang tinggi dan >90 % penyerapan secara bersamaan karena efek tongkat petir yang digabungkan, kopling plasmonik, dan pemadatan. Jarak ujung-ke-ujung tidak berpengaruh signifikan pada puncak utama, sementara ketebalan SiO₂ dan Au atas menyesuaikan posisi dan amplitudo resonansi dengan mencocokkan dipol elektrik dan magnet. FWHM yang sangat sempit (~5 nm) dan lengan segitiga panjang yang dihasilkan memberikan sensitivitas indeks bias 660 nm/RIU dan nilai layak 132 di seluruh RI 1,33–1,36, yang melebihi laporan sebelumnya. Temuan ini menunjukkan bahwa array segitiga MIM yang diproduksi oleh litografi mikrosfer adalah platform praktis dan kuat untuk pendeteksian indeks bias yang presisi tinggi.
