基于贵金属的表面等离子体光探测器

摘要

在这项工作中，研究了用于检测溶液中生物和化学物种存在的基于Kretschmann配置的光电探测器中的高灵敏度贵金属。利用衰减全反射(ATR)方法研究了金、银、铜表面等离子体激元极化吨共振(SPPR)的入射角和薄膜厚度依赖性，以监测和评价SPR的反射率角和反射率变化。采用有限元法对金属层与空气界面处表面等离子体波的电场进行了分析。采用支持有限元分析的COMSOL多相软件进行仿真。本研究的目的是寻找最合适的贵金属及其最佳厚度，以提高SPR光电探测器的性能。

关键字

衰减全反射法，基于COMSOL多相软件，Kretschmann构型，贵金属，反射率。

简介

等离子体材料，当适当地用可见光或近红外波长照射时，会表现出独特而有趣的特性，可以利用这些特性来调整光的辐射和传播特性，使其达到纳米尺度[1-8］．各种等离子体结构已被应用于光信号滤波[9，10]，开关[11，12]、运输[13，14]，调制[15，16]和探测[17，18］．表面等离子体共振(SPR)器件在光子元件中具有较高的光信号数据率，通过在同一芯片上集成光子、等离子体和电子元件，可以开发非常小的电子电路尺寸。近年来，等离子体纳米结构在多种疾病的早期诊断方面取得了相当大的进展。通过测量血液和唾液等体液中的浓度，已经发现和使用了各种生物标记物。在各种分析方法中，表面等离子体共振生物传感器因其高灵敏度、选择性和直观的功能而成为一种潜在的检测平台。是电磁波与自由电子在金属表面，特别是贵金属表面的集体振荡耦合而产生的共振模式，在各种生物光电探测器中，基于Kretschmann构型的高性能SPR生物传感器。它由夹在两种介质之间的薄金属层组成:基质和待研究的生物介质。金属薄膜具有多种功能:作为p偏振光入射的光栅耦合器和界面支撑的表面等离子体激元;利用强约束表面等离子体激元对周围指数的高敏感性利用生物介质中的折射效应。这项工作涉及基于Kretschmann配置的SPR光电探测器光学响应的建模和仿真，使用贵金属:Au, Ag和Cu。研究了金属层和周围环境的各种几何参数对传感器灵敏度和精度优化的影响。利用COMSOL Multiphysics软件对结构周围的电场分布、基于spr器件的二维建模和仿真进行了研究。

方法

仿真过程

Kretschmann模型中的激发表面等离子体激元:Kretschmann的方法使用检测显微镜，移动到不同的位置，以给出不同的角度，如图所示图1所示。

当入射光从折射率较高的介质向折射率较低的介质移动时，光线以大于临界角的角度撞击两种介质的界面时，光线将被完全反射。这种现象被称为全内反射(TIR)。TIR在两种介质的接触面之间产生一种电磁波，称为倏逝电磁场。雷竞技网页版当入射光的入射能量耦合到平板金属上时，观察到最小的总内反射量。这称为“衰减全反射”(ATR)。

TM偏振入射光冲击棱镜，在金属薄膜和介电(空气)层之间的界面处激活表面等离子体波的激发。光的波矢量可以调整为等于表面等离子体激元的波矢量从棱镜发射通过金属薄膜。棱镜是一种折射率比金属薄膜高的介质。通过棱镜的光以全内反射的方式反射在棱镜-金属层界面上。在金属棱镜界面上反射的倏逝光场穿透金属。当金属层厚度适当时，倏逝波到达金属-介电界面(或金属-空气界面)。当入射光在棱镜中传播的相位与表面等离子体波的相位相匹配时，产生表面等离子体共振，表面等离子体波沿金属-介电界面传播。它们是在一定条件下产生的，这取决于入射角和波长。

角位移Δθ是生物介质SPR探测的标志。生物传感仪器的灵敏度SR_θ是决定其性能的最重要参数之一，定义如下

我们研究了SPR与不同厚度材料的相互作用，以检测其对电阻值演化的影响，并选择最佳的贵金属厚度。等离子体共振反射光谱是用实验确定的大质量介电常数计算的。

与物质的相互作用

为了研究SPR生物传感器的性能，我们考虑在Sio上沉积一层厚度为50 nm的薄金属层₂以水为介质的棱镜。该系统用633 nm的光源激发。

SPR与贵金属的相互作用

器件的传感特性是使用两种不同的材料检测的:水和血液，折射率分别为1.333和1.38。模型传感器的反射率光谱如图所示图2。

入射角从40°到80°逐渐改变1°。结果显示了50 nm厚的银薄膜的两种理论反射率响应。Ag传感器的谐振角随着周围介质折射率的增加而增大;θR在纯水中为65.5°，血液中为71.88°。由公式可知，灵敏度为127°/ RIU。通过优化光电探测器的几何参数，可以进一步提高传感器的性能。为了评估金属薄膜对传感器灵敏度的影响并确定该装置的最佳金属，本研究选择了三种贵金属:Au, Ag和Cu，其复折射率分别为0.1856 - i 3.4201, 0.056206 + i 4.2776和0.26965 + i 3.4106图3。

当激发条件SP满足时，探测器将检测到几乎等于1的反射率。在特定的角度和波长下，当满足耦合条件时，光被高效地转换为SP，反射率急剧下降，表明SP激发。当其值接近0时，约束达到最大值，提高了传感器的精度。数值结果表明，与非贵金属(Al)相比，贵金属具有提高传感器灵敏度的能力;很明显，Au薄膜的反射率Rm的最小值。在反应体系中，Au膜表现出稳定性，与玻璃的附着力强，与无机离子不发生任何反应。此外，Au不易氧化，一般不与大多数化学物质发生反应。另一方面，铜和银是黄金的很好的替代品。

SPR与周围介质的相互作用

同样的研究也用于敏感介质，图4。表示三种介质:水(n=1.33)、甘油(n=1.357)和血液(n=1.38)的光响应随折射率变化的函数。通过比较反射率曲线，随着周围介质折射率的降低，反射率Rmin达到最低水平。Au传感器的角灵敏度为131.85°/RIU。

最优厚度

为了确定金属薄膜的最佳厚度，将该输入参数的值从20 nm增加到100 nm;最大最小反射率清楚地表现为贵金属厚度的函数图5。

Au、Ag和Cu的最佳层厚分别约为50 nm、60 nm和40 nm。正如预期的那样，Au层的反射率较小;即比Ag和Cu的耦合效率更高:RminAu=0.088, RminAg=0.200, RminCu=0.105。对于HeNe激光源，大约91%，89%和80%的入射光分别被贵金属反射:Au, Cu和Ag，这意味着在金属-介电界面上等离子体激元的约束增加，并且为贵金属发现了最佳的SPR特征。

SPR油田剖面

使用基于有限元方法的COMSOL多相软件分析了介电金属氧化物界面的近场行为，其中来自HeNe激光的光(633 nm)通过SiO传播₂棱镜。在这种情况下，使用50纳米厚的Ag层和介电介质(水)。周围介质的厚度大于金属厚度;当入射角为43.58°时，存在表面等离子体波。在COMSOL波光射频模块中，输入端口的入射场被设置为指定磁场z分量(tm波)所表示的极限，而反射光束将在出口端口被监测。在结构的所有横向边界上施加Floquet周期边界条件(FPBC)，以满足sp的“半无限”激励条件。为了激发SPs，电场的分量必须沿金属-介电界面作用。因此，sp只被入射的p偏振光激发。p偏振光是指端口1处的横向电磁波(HTM)。当三层折射率发生变化时，表面等离子体波的电场特征不同。 The spatial extension of the electric field associated with the resonant wavelength for the model is shown in图6。

由于SPR现象，在金属介质的两侧观察到电场呈指数下降;磁场强度HZ沿z轴在切线上的变化。

讨论与结论

在Kretschmann衰减全反射(ATR)几何模型中，贵金属(Au, Ag和Cu)的红土表面等离子体激元(SPP)共振光谱被广泛研究，其入射角(θ)从20°到80°，薄膜厚度(d)从20 nm到100 nm，使用不同的传感介质(纯水，glycerol和血液)。表面等离子体共振角，在反射光谱中出现一个倾角，与先前报道的结果显示出合理的一致。模拟结果表明，薄膜厚度对反射率有显著影响。ATR几何结构中的最佳等离子体激元激发，

在反射率为零的情况下，满足40 ~ 60 nm厚度范围的金属薄膜的灵敏度条件，表面等离子体共振SPR产生了较高的检测，放大了传感器的精度水平。比较三种贵金属，Au是检测的理想选择。铜是一种经济的贵金属，具有比黄金更好的导电性，理论上具有与黄金非常接近的光学响应;但其反应性较强，对与检测介质的反应较为敏感。

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