Propriedades ópticas e desempenho de detecção de matrizes de triângulos Au / SiO2 na camada Au de reflexão

Resumo

A fim de melhorar o desempenho de detecção do índice de refração de matrizes de partículas simples, uma estrutura que consiste em Au / SiO ₂ camadas de arranjos de triângulos e substrato de reflexão Au, com tamanho crescente e pontas de triângulos alongadas, são estudados. As matrizes de triângulos são modeladas a partir de uma "impressão" experimentalmente realizável de litografia de microesferas. O cálculo numérico foi realizado para estudar suas propriedades ópticas e sensibilidade espectral. Os resultados do cálculo mostram que um grande aumento local do campo elétrico (61 vezes) e, simultaneamente, alta absorção é devido à combinação da absorção de ressonância dos discos do triângulo de Au, acoplamentos plasmônicos entre os discos do triângulo de Au e o filme de Au, e a alta densidade embalagem de discos triangulares. Os picos de absorção não foram desafinados quando o intervalo entre as pontas vizinhas dos triângulos variou de 10 a 50 nm. Quando a espessura de SiO ₂ camada aumentou de 10 para 50 nm, o pico de absorção mudou para comprimentos de onda mais longos e a amplitude aumenta rapidamente, sinalizando a dominância da ressonância do modo de lacuna entre as duas camadas de Au. Como a espessura da camada superior de Au varia de 10 a 50 nm, o pico de absorção também é desviado para o vermelho e a amplitude do pico aumenta. A largura total na metade do máximo dos picos para alta absorção (> 90%) é de cerca de 5 nm. Ao corrigir a lacuna, as espessuras de Au / SiO ₂ camada triangular, e aumentando o índice de refração circundante de 1,33 para 1,36, os picos de absorção mudaram rapidamente, com uma sensibilidade de índice de refração e figura de mérito tão alta quanto 660 nm por unidade de índice de refração e 132, respectivamente. Essas matrizes podem ser facilmente fabricadas usando a matriz de microesferas como máscaras de projeção e encontram aplicação no monitoramento do índice de refração de líquido e na identificação de fases gasosas e líquidas.

Destaques

1. 1.
   A estrutura de triângulos MIM uniforme com pontas prolongadas e afiadas promete campo eletromagnético local aprimorado e absorção de banda extremamente estreita.
   
2. 2.
   O denso arranjo da estrutura dos triângulos MIM promete alta absorção.
   
3. 3.
   O FWHM extremamente estreito do pico de absorção contribui para a detecção do índice de refração de alto desempenho da estrutura.
   

Histórico

Ressonâncias de plasma de superfície localizadas (LSPRs) transportadas por nanopartículas metálicas e arranjos nanoestruturados podem capturar luz em si mesmos [1,2,3]. Especialmente, quando eles são pequenos ou com bordas afiadas, o campo eletromagnético local extremamente alto ocorrerá entre regiões espaciais em nanoescala. O fenômeno atrai ampla atenção dos pesquisadores. Várias estruturas, com filmes de metal monocamada padronizados, ou multicamadas metal / dielétrico / metal, mostrando excelente desempenho de óptica ou eletrônica, foram sugeridas como sensor de plasmon [4], absorvedor de banda larga [5, 6], dispersor Raman de superfície aprimorada (SERS) [7, 8], metal condutor transparente [9, 10] e conversor de polarização [11]. No entanto, métodos de litografia comumente usados ​​[12], como litografia por feixe de elétrons, gravação por feixe de íons focado e litografia de interferência de feixe duplo, não são adequados para a fabricação de matrizes de padrão de super-resolução de grande área, especialmente para padrões com pontas afiadas para alto desempenho aprimoramento de campo e aplicação de detecção, devido ao seu alto custo, baixo rendimento, baixa resolução de litografia ou pouca flexibilidade. Graças à litografia auxiliada por micro / nanosfera, matrizes de padrão em forma de estrela hexagonal triangular de grande área, em forma de lua crescente com cantos agudos extremos podem ser facilmente obtidas [13,14,15,16,17,18,19], que pode facilmente encontrar aplicação em campos de detecção [16,17,18,19]. Claro, alguns padrões semelhantes, como nanoprismas poligonais e nanoesferas metálicas, também podem ser obtidos por um método de síntese química [20, 21] e também é de baixo custo. Mas o grau agudo dos prismas obtidos não é tão bom quanto o dos padrões obtidos pela litografia assistida por esfera. A litografia por microesfera mostra várias vantagens.

O desempenho de detecção do índice de refração é avaliado pela largura total na metade do máximo (FWHM) de uma ressonância, as sensibilidades do índice de refração (RIS) e a figura de mérito (FOM:RIS / FWHM). O método usual é projetar uma estrutura com pequenas larguras de linha de ressonância e alto RIS, resultando em grandes FOMs. Recentemente, a equipe de Giuseppe Strangi fabricou com sucesso um biossensor de metamaterial hiperbólico, que consiste em filmes alternados de Al ₂ O ₃ e camadas de ouro e atinge RIS de 30.000 nm por unidade de índice de refração (RIU) [22]. O grupo Bin Ren projetou as larguras de linha de ressonância modulando o material, tamanho, morfologia da nanoestrutura e FWHM ultranarrow de ressonâncias até 3 nm foi obtido em experimentos [23]. O desempenho dos sensores na Ref. [22, 23] é excelente, mas as desvantagens são a baixa absorção de ressonância estreita e a fabricação complicada. O desempenho de detecção de padrões de superfície triangular é geralmente maior do que outros tipos da mesma estrutura com padrões de morfologia diferentes devido às pontas agudas dos triângulos. No passado, os pesquisadores escolheram principalmente esferas com um diâmetro de cerca de 500 nm ou menor para fabricar matrizes de padrão triangular como pequenas partículas metálicas geralmente fornecem alto campo eletromagnético local [18, 19]. A extinção ou absorção dessas pequenas partículas metálicas encontra-se na luz visível e perto do ultravioleta. Quanto ao desvio de tamanho existente das esferas e a diferença real do gap entre as esferas vizinhas arbitrárias, o tamanho de cada triângulo fabricado está com grande desvio, o que resultará no alargamento do espectro de extinção / absorção FWHM [18, 19]. Enquanto isso, o RIS e o FOM são geralmente pequenos que 500 nm / RIU e 50, respectivamente, o que limita sua aplicação na detecção de alta precisão do índice de solução.

Além disso, pesquisas de várias literaturas recentes sugerem que, em comparação com métodos de controle de onda eletromagnética em dispositivos de padrão de monocamada de metal, existem mais estratégias para capturar onda eletromagnética para dispositivos de matriz de estrutura MIM [24,25,26,27,28], como acoplamento de luz a uma cavidade de Fabry-Perot, acoplamento difrativo em matrizes periódicas (interferência de Fano) e acoplamento a plasmons de superfície em propagação. Dispositivos de matriz de disco de metal monocamada apresentam desvantagens no desempenho de detecção.

Para superar os problemas listados acima, sugerimos utilizar uma esfera maior para melhorar a uniformidade do tamanho. Uma esfera maior também significa uma seção transversal física mais longa de triângulos, o que aumentará o desempenho de detecção dos triângulos. Nossa estrutura sugerida contém três camadas:a camada superior de Au e a camada média de SiO ₂ as camadas são padrões triangulares sobrepostos, enquanto a camada inferior é um filme de reflexão de Au, que pode ser fabricado utilizando uma máscara de matriz de microesferas. Investigamos o mecanismo de absorção de ressonância da estrutura proposta, o tamanho da lacuna entre pontas adjacentes de padrões triangulares e as espessuras de SiO ₂ a influência da camada e da camada de Au na posição e amplitude do pico de absorção. Por último, os parâmetros da estrutura de otimização são escolhidos e calculamos as propriedades de detecção da estrutura. Os resultados obtidos de RIS e FOM são 660 nm / RIU e FOM 132, respectivamente, que são muito melhores do que os relatórios anteriores.

Métodos

O software CST Microwave studio é utilizado para calcular a distribuição e absorção do campo eletromagnético da estrutura de três camadas. O esquemático da estrutura metal / dielétrico / metal (MIM) é mostrado na Fig. 1, que pode ser realizado por litografia assistida por arranjo de micro / nanosfera [13, 29, 30]. A Figura 1a-c mostra a vista em perspectiva, vista em corte transversal e imagens de vista superior, respectivamente, do sensor de matriz de estrutura MIM e o modelo de estrutura com condição de limite de célula unitária em xoy plano (visto claramente na Fig. 1c), e condições de limite aberto impostas na borda do domínio do modelo ao longo do z -axis é definido para calcular os parâmetros S utilizando solucionadores de domínio de frequência. A Figura 1d é uma vista superior da matriz da estrutura e limite periódico em xoy plano e condições de limite aberto na aresta do modelo ao longo do z -eixo são definidos para calcular a distribuição do campo eletromagnético utilizando solucionadores no domínio do tempo. Camadas de combinação perfeita são impostas fora do limite aberto ao longo do z -eixo. O refinamento de malha adaptável é aplicado em todos os cálculos e a precisão de resolução é de - 60 dB. A onda plana, com direção incidente ao longo do z -eixo e direção de polarização ao longo do x -eixo (para cálculo do campo eletromagnético), é definido, cuja amplitude é 1 V / M. A constante óptica dos materiais é retirada da Ref. [31]. Durante a simulação, o espaçamento centro a centro dos triângulos adjacentes é fixado em 900 nm, enquanto a lacuna entre as pontas dos triângulos adjacentes, a espessura da camada dielétrica média e da camada metálica superior, é ajustada. Espectros de absorção e desvios espectrais são obtidos. Variando o índice de refração do ambiente, a sensibilidade do espectro às mudanças de material externo é obtida. Os resultados dos cálculos e análises são os seguintes.

Esquemático do sensor de estrutura MIM. a Visão de perspectiva. b Vista em corte transversal. c , d Vista do topo

Resultados e discussão

Propriedades ópticas

Os parâmetros de estrutura da estrutura MIM são sistematicamente variados. Primeiro, o Au superior e as camadas dielétricas intermediárias são definidas como 30 nm e 30 nm, respectivamente. O filme de Au inferior tem 100 nm, que é espesso o suficiente para refletir toda a luz. A transmissão T é quase 0 [24]. A absorção A pode ser obtido usando 1-R (R:refletividade pelo modelo). O índice de refração do ambiente é 1,34. A fim de saber como a lacuna entre as pontas adjacentes de triângulos vizinhos afeta o pico de absorção, estudamos a relação entre o espectro de absorção e a lacuna entre as pontas vizinhas primeiro. Os resultados são apresentados na Fig. 2. A Figura 2a mostra os espectros de absorção da matriz de estrutura MIM com os tamanhos de lacuna de 10 nm, 20 nm, 30 nm, 40 nm e 50 nm. A partir dos espectros, vemos que o gap de ponta (variando entre 10 ~ 50 nm) não afeta a posição e amplitude dos picos principais (em ~ 900 nm), o que sugere sua associação a outros modos de ressonância. Seguindo a matriz de estrutura MIM com um tamanho de lacuna de 30 nm, um modelo de matriz de estrutura MIM com triângulo dividido pela metade em cada unidade é construído para análise posterior. O menor tamanho de lacuna entre triângulos adjacentes do modelo com um arranjo de triângulo esparso é maior que 500 nm, onde não existe interação entre eles. Calculamos o parâmetro S do modelo, cujo espectro de absorção é o detalhe da Fig. 2a. A posição do pico principal é quase a mesma da matriz de estrutura MIM com tamanho de lacuna pequeno (variando entre 10 ~ 50 nm), enquanto a absorção do pico reduz muito. Assim, pode-se concluir que a formação do pico principal está relacionada principalmente à unidade MIM isolada. Para confirmar ainda mais a razão de formação do pico principal, modela, mantendo o tamanho da lacuna (variando entre 10 ~ 50 nm) e substituindo o filme de Au inferior por SiO ₂ filme, são construídos. A absorção dos modelos alterados (metal / dielétrico / dielétrico, MII) é mostrada na Fig. 2b. Os picos próximos a 900 nm na Fig. 2a, b estão com quase a mesma posição e FWHM, mas a amplitude do último é muito menor do que o anterior. Pode-se concluir que a razão de formação dos picos principais na matriz da estrutura MIM é atribuída às camadas superior e intermediária padronizadas. Enquanto isso, o substrato Au de reflexão da estrutura MIM desempenha um papel importante no aumento da absorção. Para a estrutura MII, existem LSPRs e ressonância da rede de superfície (SLR) [28]. A posição do pico de SLR está em ~ 1000 nm, que é o resultado do modo LSP de um disco de Au com acoplamento de difração coerente em comparação com outros discos de Au. Como a espessura de SiO ₂ é muito fino, SLR não é observado em estruturas MIM. Como a polarização influencia ligeiramente os espectros de absorção de matrizes de estrutura MIM [32, 33], não a discutiremos aqui.

O espectro de absorção varia com os tamanhos de lacunas entre pontas adjacentes de triângulos, aumentando a matriz de estrutura MIM ( a ) e matriz de estrutura MII ( b ) A inserção no canto superior direito de a é o espectro de absorção da estrutura MIM isolada. c - e Campo elétrico | E | distribuição de xoz avião ( y =0 nm) de modelos de matriz de estrutura MIM com tamanhos de lacuna de 20 nm, 30 nm, 50 nm, respectivamente. f | E | distribuição de xoz avião ( y =0 nm) do modelo de matriz de estrutura MII com tamanho de lacuna de 30 nm. g | H | distribuição de xoz avião ( y =0 nm) do modelo de matriz de estrutura MIM com tamanho de lacuna de 30 nm. h | E | distribuição de xoy plano ( z =- 30 nm) do modelo de matriz de estrutura MIM com tamanho de lacuna de 30 nm

Para analisar o detalhe, um modelo periódico, com vista superior conforme mostrado na Fig. 1d, iluminado por uma fonte de luz de polarização linear (comprimento de onda de 893,8 nm que é a posição do pico principal), é construído. O campo elétrico | E | é dado na Fig. 2c – g. A Figura 2c-e é a distribuição do campo elétrico de xoz avião ( y =0 nm), com tamanho de lacuna de 20 nm, 30 nm e 50 nm, respectivamente. O máximo | E | ocorre entre a lacuna de triângulos de Au adjacentes para a condição de tamanho de lacuna de 10 nm, e nas pontas dos triângulos de Au para tamanhos de lacuna maiores. O valor máximo varia de 54 a 61, que é uma pequena flutuação. No entanto, o campo elétrico entre SiO ₂ camada é extremamente baixa. É a mesma situação com aquela da estrutura MII array, com um tamanho de gap de 30 nm, mostrado na Fig. 1f. O campo máximo ocorre também nas pontas dos triângulos Au, cerca de 48, que é um pouco menor que o do modelo de matriz de estrutura MIM com os mesmos tamanhos de lacuna. O campo elétrico do SiO ₂ camada está perto de zero, enquanto o campo magnético | H | é aprimorado, como mostrado na Fig. 2g. O | H | pode ser melhorado ajustando a espessura do espaçador e dos triângulos Au. Comparando com pesquisas anteriores sobre absorvedores de estrutura MIM [32, 34] e nossa descoberta, pode-se concluir que, embora o acoplamento possa existir entre triângulos Au adjacentes, pequenas mudanças neste tipo de triângulos (com pontas muito longas e afiadas) não resultarão em movimento do pico principal e redução do campo local realçado. O aumento local do campo elétrico (~ 48 vezes do campo incidente) nas pontas dos triângulos de Au isolados é devido ao efeito do tamanho da ponta ou efeito do pára-raios [33, 35], que resulta em ~ 42% de absorção do pico principal de MII modelos de estrutura. O grande campo elétrico local (> 54 vezes do campo incidente) e a alta absorção (> 90%) dos picos principais devem ser atribuídos ao efeito de bastão de luz simultâneo dos discos do triângulo Au e ao modo de ressonância magnética fundamental entre SiO ₂ camadas espaçadoras, que excitam a matriz de estrutura MIM respondendo à luz incidente, resultando em FWHM ultranarrow dos picos principais com alta absorção. O FWHM de seus principais picos de absorção é significativamente menor do que o da estrutura MIM com discos triangulares normais [32], o que beneficia seu desempenho de detecção. A diminuição da absorção de MIM com triângulo dividido pela metade em cada unidade é devido a uma baixa densidade de “pontos quentes” [36]. Além disso, o reflexo Au também fornece oportunidade extra para a absorção de LSPR entre os discos de Au. Assim, o aumento de campo da matriz de estrutura de triângulo MIM é um pouco maior do que a da matriz de triângulo de monocamada em Si [37]. Por último, o campo elétrico de xoy plano ( z =- 30 nm, a superfície superior da camada superior de Au) do modelo de matriz MIM é dado na Fig. 2h. Pontos brilhantes claros podem ser vistos em todas as pontas dos triângulos Au. No entanto, pode-se observar que as manchas se situaram na linha central, que é paralela ao x -eixo (a direção polarizada de iluminação) de um vértice de um triângulo e é mais brilhante. O fenômeno está de acordo com os resultados mostrados na Ref. [37, 38], o que indica que parte da contribuição do campo elétrico principal vem do componente no plano paralelo à luz que entra.

Como a lacuna entre triângulos vizinhos existe no experimento, e o controle preciso do tamanho da lacuna (precisão de ~ 15 nm, valor de lacuna médio mínimo de 10 nm) é possível por vários métodos [29, 30], escolhemos ter o tamanho da lacuna fixo em 30 nm no seguinte estudo. Então, as espessuras do meio SiO ₂ camada e camadas superiores de Au são variadas, respectivamente. Quando a espessura de SiO ₂ camada aumenta, a posição e amplitude dos picos de absorção mudam rapidamente, o que é mostrado na Fig. 3a. Quando o SiO ₂ camada é fina, existe apenas absorção de LSPR e a absorção de pico em ~ 900 nm é baixa. Com o aumento da espessura de SiO ₂ camada, ocorre o desvio para o vermelho dos picos e a absorção chega a 90%. A razão para o desvio para o vermelho dos picos é que quando a espessura do SiO ₂ camada aumenta, o índice de refração efetivo em torno dos arranjos de triângulo aumenta, o que resulta no desvio para o vermelho dos picos do plasmon. Enquanto isso, a ressonância magnética se forma no SiO ₂ camada. A ressonância elétrica (de LSPRs) dentro dos triângulos Au combinando com a ressonância magnética responde à luz incidente, resultando em absorção extremamente alta em ~ 900 nm. Além disso, as pontas agudas dos triângulos prometem o FWHM estreito dos picos. Para a faixa de espessura do SiO ₂ camada, 25 ~ 40 nm, a absorção é superior a 90%, mas o FWHM do pico é um pouco menor quando o SiO ₂ a espessura é de 25 nm. É porque ocorre um acoplamento mais intenso entre os modos elétrico e magnético. Assim, escolhemos 25 nm de SiO ₂ e continuar a estudar o efeito da camada superior de Au nas propriedades ópticas do sensor de estrutura MIM. A relação é mostrada na Fig. 3b. A absorção é baixa quando a espessura dos triângulos Au é de 10 nm. Quando a espessura aumenta, a posição do pico é deslocada para o vermelho e a amplitude aumenta. Quando a espessura aumenta para 30 nm, a amplitude chega a 90%. Com o aumento contínuo da espessura da camada superior de Au, a absorção não varia enquanto o FWHM se alarga. O FWHM varia de 3,5 a 6 nm. Deve ser atribuído ao aumento da perda ôhmica com o aumento da espessura do filme de Au superior. Escolhemos a camada superior de Au de 50 nm como um parâmetro apropriado para o sensor MIM, e o FWHM do pico é 5 nm. A razão para o desvio para o vermelho é que quando a espessura dos triângulos Au aumenta, o número de elétrons livres envolvidos no choque coletivo aumenta e o efeito de retardo do campo eletromagnético se inclina; assim, a energia necessária para a excitação de ressonância igual é reduzida [39]. Como muitos elétrons livres entram em ressonância, a amplitude aumenta e o FWHM do pico é extremamente estreito. A posição do pico está relacionada à nitidez e às dimensões geométricas dos triângulos e o número de elétrons livres acumulados nas pontas dos triângulos é grande, a energia necessária para a excitação de ressonância é pequena e o comprimento de onda de ressonância é deslocado para o vermelho.

a O espectro de absorção varia com a espessura de SiO ₂ camada crescente. b O espectro de absorção varia com a espessura da camada superior da matriz Au do triângulo aumentando

Detecção de desempenho

No estudo acima, chegamos a parâmetros otimizados de tamanho de lacuna entre pontas vizinhas do disco de triângulo, espessura de SiO ₂ espaçador e disco de Au superior, que são 30 nm, 25 nm e 50 nm, respectivamente. Nesta parte, os parâmetros já otimizados são fixos, e o espectro de absorção variando com o índice de refração do ambiente é calculado e mostrado na Fig. 4. Com o índice de refração do ambiente aumentando, um rápido desvio para o vermelho de picos de absorção extremamente estreitos e altos pode ser visto . O FWHM para cada pico é de cerca de 5 nm. Calculamos o RIS e o FOM, que são cerca de 660 nm / RIU e 132, respectivamente. Os resultados de otimização das propriedades de detecção por estudo numérico dos padrões convencionais são excelentes. Graças ao pequeno desvio de tamanho de microesferas comercialmente disponíveis, tecnologia de auto-montagem de microesferas maduras e também os métodos de tamanho de lacuna de controle preciso [29, 30], o sensor de estrutura MIM sugerido pode encontrar aplicação prática na detecção de índice de solução e soluções de identificação.

O pico de absorção varia com o índice de refração do ambiente (de 1,33 a 1,36) aumentando

Conclusões

O cálculo numérico é realizado para estudar as propriedades ópticas e o desempenho de detecção do sensor de estrutura MIM com unidade triangular padronizada. O campo elétrico local aprimorado e a alta absorção simultaneamente são atribuídos ao forte efeito de bastão de luz dos discos do triângulo Au, acoplamento de ressonância plasmônica de ressonância elétrica entre os discos do triângulo Au e ressonância magnética que residia no SiO ₂ camada e matrizes MIM de triângulo organizado de alta densidade. A interação entre os discos triangulares adjacentes de nossa estrutura e o efeito do parâmetro no pico de absorção é desprezível. A espessura do SiO ₂ camada e camada superior de Au influenciam a posição e amplitude dos picos, que são causados ​​pelo ajuste de dipolos elétricos e dipolos magnéticos da estrutura MIM para coincidir com a impedância, e o aumento das dimensões geométricas de triângulos quando a espessura de SiO ₂ / A camada do triângulo Au aumenta. Quando a estrutura sugerida corresponde bem à sua impedância efetiva, a absorção é extremamente alta (> 90%). Devido às pontas longas dos arranjos de triângulo Au, o FWHM dos picos é muito estreito, cerca de 5 nm. Os RIS e FOM obtidos são cerca de 660 nm / RIU e 132, respectivamente, para índice de refração do ambiente 1,33 ~ 1,36, que são excelentes resultados em comparação com relatórios anteriores.

Abreviações

Al ₂ O ₃ :

Óxido de aluminio

FOM:

Figura de mérito

FWHM:

Largura total pela metade no máximo

LSPR:

Ressonância de plasmon de superfície localizada

MII:

Metal / dielétrico / dielétrico

MIM:

Metal / dielétrico / metal

RIS:

Sensibilidades de índice de refração

RIU:

Unidade de índice de refração

SiO ₂ :

Dióxido de silício

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