Sensor Plasmonico Baseado em Nanoprismas Dielétricos com SPR de Incidência Normal para Sensibilidade Aprimorada

Resumo

Apresentamos um sensor plasmonico que emprega uma rede periódica de nanoprismas dielétricos extrudados para excitar ressonâncias de plasmão de superfície (SPRs). A geometria do nanoprisma direciona a luz incidente para a interface metal-dielétrico, onde o dielétrico serve como meio analito. O dispositivo opera sob iluminação de incidência normal e é interrogado espectralmente. Comparado com configurações convencionais de Kretschmann, oferece maior sensibilidade e figura de mérito superior, permanecendo compatível com processos padrão de nanofabricação.

Introdução

Sensores de ressonância de plasmão de superfície (SPR) tornaram-se pedra angular de detecção óptica sem marcador em aplicações biomédicas e de ciência de materiais. Projetos tradicionais dependem de interrogação angular ou espectral, com a configuração de Kretschmann sendo a abordagem mais amplamente adotada. Neste esquema, a luz é acoplada a um filme metálico fino via prisma de alto índice, exigindo um ângulo de incidência preciso para satisfazer a condição de correspondência de vetor de onda. A necessidade de grande ângulo de incidência muitas vezes limita a praticidade e potencial de integração do sensor.

Várias estratégias de incidência normal foram propostas, incluindo sulcos metálicos estreitos, nanocavidades e grades dielétricas. Estes designs exploram vales espectrais com larguras sub-nanômetro, melhorando a figura de mérito (FOM). No entanto, restrições de fabricação — como larguras de sulco de 3 nm — podem impedir escalabilidade. Uma alternativa é usar estruturas dielétricas que direcionam luz para a interface metal-dielétrico. Grades dielétricas de alto aspecto (HARDG) guiam luz em camadas ativas de fotovoltaicos e podem ser reaproveitadas para aplicações de sensoriamento.

Neste trabalho, introduzimos uma rede de nanoprismas que direciona luz de incidência normal para uma interface metal-dielétrico, amplificando o campo evanescente na superfície de sensoriamento. O design é totalmente compatível com litografia padrão e técnicas de spin-coating, tornando-o atraente para prototipagem rápida e produção em larga escala.

Métodos

A geometria do dispositivo é ilustrada na Fig. 1a. Uma rede periódica de nanoprismas isósceles é gravada em substrato de MgF₂. Os sulcos triangulares são preenchidos com óxido de alumínio e zinco (AZO), que pode ser depositado via spin-coating, produzindo superfície planar para subsequente deposição de metal. Um filme fino de ouro (30 nm) é então depositado por sputtering no AZO, formando a camada plasmonica. Água é usada como analito para emular condições de biossensoriamento. Constantes ópticas foram obtidas de bancos de dados confiáveis: MgF₂, AZO e ouro.

Iluminando a estrutura com onda plana polarizada TM pelo lado do substrato (amplitude de campo 1 V/m), o fluxo de potência simulado (Fig. 1b) confirma que os nanoprismas focam energia na interface metal-dielétrico, amplificando o campo local relativo à configuração clássica de Kretschmann. O comprimento de onda de ressonância é ajustável via período do prisma, P.

O dispositivo é modelado no COMSOL Multiphysics usando método de elementos finitos. Validação contra soluções analíticas para configuração de Kretschmann confirma a precisão do modelo. Otimização visa duas métricas-chave: (i) amplitude de campo na interface metal-água e (ii) largura total na meia altura (FWHM) do vale de refletância. Sensibilidade (S_B) e FOM são definidos como: S_B = Δλ/Δn (nm/RIU) e FOM = S_B/FWHM (1/RIU). Otimização resulta nos seguintes parâmetros geométricos: espessura de camada tampão t_BL = 100 nm, espessura de metal t_M = 30 nm, largura do prisma w_G = 325 nm, altura H = 700 nm e período P = 550 nm. Estes valores equilibram desempenho com tolerâncias realistas de fabricação.

Curvas de refletância espectral mostram que o dispositivo de nanoprisma mantém ressonância aguda mesmo quando o índice de refração do analito se aproxima ao da camada tampão. A sensibilidade máxima alcançada é 250 nm/RIU com FOM de 100 1/RIU — valores que superam resultados típicos de Kretschmann.

Resultados e Discussões

Para ampliar a faixa operacional de índice de refração, a camada tampão foi substituída de AZO para fosfeto de gálio (GaP). O índice mais alto do GaP mitiga a degradação do pico espectral observada com AZO quando o índice do analito aumenta. O material do nanoprisma permanece AZO para preservar o efeito de direcionamento.

Prata oferece desempenho plasmonico superior comparado a ouro, mas sua falta de biocompatibilidade limita seu uso em biossensoriamento. Exploramos então uma pilha bimetálica: 25 nm de Ag revestidos com 5 nm de Au. Esta bicamada produz ressonância que combina a nitidez da prata com a camada protetora de ouro. A pilha otimizada resulta em vale espectral em comprimento de onda mais curto e FWHM mais estreito comparado a cada metal sozinho.

Com tampão GaP e bicamada Ag/Au, o sensor atinge sensibilidade máxima de 450 nm/RIU que permanece estável em faixa de índice de refração de 1,33–1,43. Correspondentemente, o FOM varia de 160–220 1/RIU — superando abordagens recentes de nanoprismas de grafeno, silício, óxido e metálicos.

Conclusões

Demonstramos sensor de nanoprisma dielétrico que amplifica o campo local na interface metal-analito, permitindo penetração SPR mais profunda e maiores volumes de interação. A arquitetura de incidência normal simplifica integração — por exemplo, com sondas de fibra óptica — e entrega desempenho excepcional: sensibilidade de platô de ~450 nm/RIU e valores FOM entre 160 e 220 1/RIU sobre 1,33–1,43 RIU. Otimizações de materiais — incluindo tampão GaP e bicamada Ag/Au — estendem a faixa operacional de índice mantendo biocompatibilidade. Estes atributos tornam o dispositivo adequado para diagnósticos biomédicos, monitoramento ambiental e sensoriamento de líquidos industriais.