Propiedades ópticas y rendimiento de detección de matrices de triángulos de Au / SiO2 en la capa de Au de reflexión

Resumen

Para mejorar el rendimiento de detección del índice de refracción de matrices de partículas simples, una estructura, que consta de Au / SiO ₂ Se estudian las capas de matrices de triángulos y el sustrato de Au de reflexión, con un tamaño creciente y puntas de triángulos que se alargan. Las matrices de triángulos se modelan a partir de una "huella" de litografía de microesferas que se puede realizar experimentalmente. Se realizó un cálculo numérico para estudiar sus propiedades ópticas y sensibilidad espectral. Los resultados del cálculo muestran que una gran mejora local del campo eléctrico (61 veces) y simultáneamente una alta absorción se debe a la combinación de la absorción de resonancia de los discos triangulares de Au, los acoplamientos plasmónicos entre los discos triangulares de Au y la película de Au, y la alta densidad embalaje de discos triangulares. Los picos de absorción no se desafinaron cuando el espacio entre las puntas vecinas de los triángulos varió de 10 a 50 nm. Cuando el espesor de SiO ₂ La capa aumentó de 10 a 50 nm, el pico de absorción se desplazó a longitudes de onda más largas y la amplitud aumenta rápidamente, lo que indica el predominio de la resonancia en modo gap entre las dos capas de Au. Como el grosor de la capa superior de Au varía de 10 a 50 nm, el pico de absorción también se desplaza hacia el rojo y aumenta la amplitud del pico. El ancho total a la mitad del máximo de los picos de alta absorción (> 90%) es de aproximadamente 5 nm. Al fijar el espacio, los espesores de Au / SiO ₂ capa triangular, y aumentando el índice de refracción circundante de 1,33 a 1,36, los picos de absorción cambiaron rápidamente, con una sensibilidad de índice de refracción y una cifra de mérito tan alta como 660 nm por unidad de índice de refracción y 132, respectivamente. Tales matrices se pueden fabricar fácilmente utilizando una matriz de microesferas como máscaras de proyección y encuentran aplicación en el monitoreo del índice de refracción de líquidos y la identificación de fases gaseosas y líquidas.

Aspectos destacados

1.
La estructura uniforme de triángulos MIM con puntas prolongadas y afiladas promete un campo electromagnético local mejorado y una absorción de banda extremadamente estrecha.
2.
La disposición densa de la estructura de triángulos MIM promete una alta absorción.
3.
El FWHM extremadamente estrecho del pico de absorción contribuye a la detección del índice de refracción de alto rendimiento de la estructura.

Antecedentes

Las resonancias localizadas de plasmones superficiales (LSPR) transportadas por nanopartículas metálicas y matrices de nanoestructuras pueden capturar la luz en sí mismas [1, 2, 3]. Especialmente, cuando son pequeños o con bordes afilados, se producirá un campo electromagnético local extremadamente alto entre las regiones espaciales a nanoescala. El fenómeno atrae la atención de los investigadores. Se han sugerido varias estructuras, con películas metálicas de monocapa estampadas o multicapas de metal / dieléctrico / metal, que muestran un excelente rendimiento de la óptica o la electrónica, como sensor de plasmón [4], absorbedor de banda ancha [5, 6], dispersor Raman mejorado en la superficie (SERS) [7, 8], metal conductor transparente [9, 10] y convertidor de polarización [11]. Sin embargo, los métodos de litografía comúnmente utilizados [12], como la litografía por haz de electrones, el grabado por haz de iones enfocado y la litografía de interferencia de doble haz, no son adecuados para fabricar matrices de patrones de superresolución de gran área, especialmente para patrones con puntas afiladas para un alto rendimiento. mejora de campo y aplicación de detección, debido a su alto costo, bajo rendimiento, baja resolución de litografía o poca flexibilidad. Gracias a la litografía asistida por micro / nanoesferas, se pueden obtener fácilmente matrices de patrones hexagonales en forma de media luna triangulares de gran área con esquinas extremadamente afiladas [13,14,15,16,17,18,19], que Puede encontrar fácilmente una aplicación en los campos de detección [16,17,18,19]. Por supuesto, algunos patrones similares, como nanoprismas poligonales y nanoesferas metálicas, también se pueden obtener mediante un método de síntesis química [20, 21] y también es de bajo costo. Pero el grado de nitidez de los prismas obtenidos no es tan bueno como el de los patrones obtenidos por litografía asistida por esferas. La litografía de microesferas muestra varias ventajas.

El rendimiento de detección del índice de refracción se evalúa por el ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) de una resonancia, las sensibilidades del índice de refracción (RIS) y la figura de mérito (FOM:RIS / FWHM). El método habitual es diseñar una estructura con anchos de línea de resonancia pequeños y alto RIS, lo que da como resultado grandes FOM. Recientemente, el equipo de Giuseppe Strangi fabricó con éxito un biosensor de metamaterial hiperbólico, que consiste en películas alternas de Al ₂ delgadas O ₃ y capas de oro y alcanza un RIS de 30.000 nm por unidad de índice de refracción (RIU) [22]. El grupo de Bin Ren ha diseñado los anchos de línea de resonancia modulando el material, el tamaño, la morfología de la nanoestructura y la FWHM ultradelgada de resonancias de hasta 3 nm se ha obtenido en experimentos [23]. El desempeño de los sensores en la Ref. [22, 23] es sobresaliente, pero las desventajas son la baja absorción de resonancia estrecha y la artesanía de fabricación complicada. El rendimiento de detección de los patrones de superficies triangulares suele ser más alto que otros tipos de la misma estructura con diferentes patrones de morfología debido a las puntas afiladas de los triángulos. En el pasado, los investigadores eligieron principalmente esferas con un diámetro de aproximadamente 500 nm o menos para fabricar matrices de patrones triangulares, ya que las pequeñas partículas metálicas generalmente proporcionan un alto campo electromagnético local [18, 19]. La extinción o absorción de estas pequeñas partículas metálicas radica en luz visible y casi ultravioleta. En cuanto a la desviación de tamaño existente de las esferas y la diferencia de brecha real entre esferas vecinas arbitrarias, el tamaño de cada triángulo fabricado tiene una gran desviación, lo que resultará en una ampliación del espectro de extinción / absorción de FWHM [18, 19]. Mientras tanto, el RIS y el FOM son generalmente pequeños de 500 nm / RIU y 50, respectivamente, lo que limita su aplicación en la detección de alta precisión del índice de solución.

Además, la investigación de diversas publicaciones recientes sugiere que, en comparación con los métodos de control de ondas electromagnéticas en dispositivos de patrón metálico monocapa, existen más estrategias para capturar ondas electromagnéticas para dispositivos de matriz de estructura MIM [24,25,26,27,28], como acoplamiento de luz a una cavidad de Fabry-Perot, acoplamiento difractivo en matrices periódicas (interferencia de Fano) y acoplamiento a plasmones de superficie en propagación. Los dispositivos de matriz de discos metálicos monocapa presentan desventajas en el rendimiento de la detección.

Para superar los problemas enumerados anteriormente, sugerimos utilizar una esfera más grande para mejorar la uniformidad del tamaño. Una esfera más grande también significa una sección transversal física de triángulos más larga, lo que mejorará el rendimiento de detección de los triángulos. Nuestra estructura sugerida contiene tres capas:la capa superior de Au y la capa intermedia de SiO ₂ las capas son patrones triangulares superpuestos, mientras que la capa inferior es una película de reflexión de Au, que se puede fabricar utilizando una máscara de matriz de microesferas. Investigamos el mecanismo de absorción de resonancia de la estructura propuesta, el tamaño del espacio entre puntas adyacentes de patrones triangulares y los espesores de SiO ₂ La capa y la capa de Au influyen en la posición y amplitud del pico de absorción. Por último, se eligen los parámetros de la estructura de optimización y calculamos las propiedades de detección de la estructura. Los resultados obtenidos de RIS y FOM son 660 nm / RIU y FOM 132, respectivamente, que son mucho mejores que los informes anteriores.

Métodos

El software de estudio CST Microwave se utiliza para calcular la distribución y absorción del campo electromagnético de la estructura de tres capas. El esquema de la estructura de metal / dieléctrico / metal (MIM) se muestra en la Fig. 1, que puede realizarse mediante litografía asistida por matriz de micro / nanoesferas [13, 29, 30]. La Figura 1a-c muestra una vista en perspectiva, una vista en sección transversal y una vista superior, respectivamente, del sensor de matriz de estructura MIM y el modelo de estructura con la condición de límite de la celda unitaria en xoy plano (visto claramente en la Fig. 1c), y las condiciones de límite abierto impuestas en el borde del dominio del modelo a lo largo de la z -axis está configurado para calcular S parámetros utilizando solucionadores de dominio de frecuencia. La figura 1d es una vista superior de la matriz de estructura y el límite periódico en xoy plano y condiciones de contorno abierto en el borde del modelo a lo largo de la z -axis se establecen para calcular la distribución del campo electromagnético utilizando solucionadores en el dominio del tiempo. Las capas de coincidencia perfecta se imponen fuera del límite abierto a lo largo de la z -eje. Se aplica un refinamiento de malla adaptable en todos los cálculos y la precisión de resolución es - 60 dB. La onda plana, con dirección incidente a lo largo de la z -eje y dirección de polarización a lo largo de la x -eje (para el cálculo del campo electromagnético), cuya amplitud es de 1 V / M. La constante óptica de los materiales se toma de la Ref. [31]. Durante la simulación, el espaciado de centro a centro de los triángulos adyacentes se fija en 900 nm, mientras que se ajusta el espacio entre las puntas de los triángulos adyacentes, el grosor de la capa dieléctrica media y el de la capa metálica superior. Se obtienen espectros de absorción y cambios espectrales. Variando el índice de refracción ambiental, se obtiene la sensibilidad del espectro a los cambios de materiales externos. Los resultados del cálculo y el análisis son los siguientes.

Esquema del sensor de estructura MIM. un Vista de perspectiva. b Vista en sección transversal. c , d Vista superior

Resultados y discusión

Propiedades ópticas

Los parámetros de estructura de la estructura MIM se varían sistemáticamente. Primero, las capas superior de Au y dieléctrico medio se establecen en 30 nm y 30 nm, respectivamente. La película de Au inferior es de 100 nm, que es lo suficientemente gruesa para reflejar toda la luz. La transmisión T es casi 0 [24]. La absorción A se puede obtener usando 1-R (R:reflectividad según el modelo). El índice de refracción del medio ambiente es de 1,34. Para saber cómo la brecha entre las puntas adyacentes de los triángulos vecinos afecta el pico de absorción, primero estudiamos la relación entre el espectro de absorción y la brecha entre las puntas vecinas. Los resultados se presentan en la Fig. 2. La Figura 2a muestra los espectros de absorción de la matriz de estructura MIM con los tamaños de los espacios de 10 nm, 20 nm, 30 nm, 40 nm y 50 nm. A partir de los espectros, vemos que la brecha de la punta (que varía entre 10 ~ 50 nm) no afecta la posición y amplitud de los picos principales (a ~ 900 nm), lo que sugiere su asociación con otros modos de resonancia. Siguiendo la matriz de estructura MIM con un tamaño de espacio de 30 nm, se construye un modelo de matriz de estructura MIM con triángulo dividido a la mitad en cada unidad para un análisis más detallado. El tamaño de espacio más pequeño entre los triángulos adyacentes del modelo con una disposición de triángulos dispersos es mayor que 500 nm, donde no existe interacción entre ellos. Calculamos el parámetro S del modelo, cuyo espectro de absorción es el recuadro de la Fig. 2a. La posición del pico principal es casi la misma que la de la matriz de estructura MIM con un tamaño de espacio pequeño (que varía entre 10 ~ 50 nm), mientras que la absorción del pico se reduce mucho. Por tanto, se puede concluir que la formación del pico principal está relacionada principalmente con la unidad MIM aislada. Para confirmar aún más la razón de la formación del pico principal, modele, manteniendo el tamaño del espacio (que varía entre 10 ~ 50 nm) y reemplazando la película de Au inferior con SiO ₂ película, se construyen. La absorción de los modelos modificados (metal / dieléctrico / dieléctrico, MII) se muestra en la Fig. 2b. Los picos cercanos a 900 nm en la Fig. 2a, b tienen casi la misma posición y FWHM, pero la amplitud de este último es mucho menor que la del primero. Se puede concluir que la razón de formación de los picos principales en la matriz de estructura MIM se atribuye a las capas superior e intermedia con patrón. Mientras tanto, el sustrato de reflexión Au de la estructura MIM juega un papel importante en la mejora de la absorción. Para la estructura MII, existen LSPR y resonancia reticular de superficie (SLR) [28]. La posición máxima de SLR está en ~ 1000 nm, que es el resultado del modo LSP de un disco de Au con acoplamiento de difracción coherente en comparación con otros discos de Au. Como el espesor de SiO ₂ es demasiado delgado, SLR no se observa en estructuras MIM. Como la polarización influye ligeramente en los espectros de absorción de las matrices de estructuras MIM [32, 33], no lo discutimos aquí.

El espectro de absorción varía con los tamaños de los espacios entre las puntas adyacentes de los triángulos aumentando la matriz de estructura MIM ( a ) y matriz de estructura MII ( b ). El recuadro en la esquina superior derecha de a es el espectro de absorción de la estructura MIM aislada. c - e Campo eléctrico | E | distribución de xoz avión ( y =0 nm) de modelos de matriz de estructura MIM con tamaños de espacio de 20 nm, 30 nm, 50 nm, respectivamente. f | E | distribución de xoz avión ( y =0 nm) del modelo de matriz de estructura MII con un tamaño de espacio de 30 nm. g | H | distribución de xoz avión ( y =0 nm) del modelo de matriz de estructura MIM con un tamaño de espacio de 30 nm. h | E | distribución de xoy plano ( z =- 30 nm) del modelo de matriz de estructura MIM con un tamaño de espacio de 30 nm

Para analizar el detalle, se construye un modelo periódico, con vista superior como se muestra en la Fig. 1d, iluminado por una fuente de luz de polarización lineal (longitud de onda de 893,8 nm que es la posición del pico principal). El campo eléctrico | E | se muestra en la figura 2c – g. La figura 2c-e es la distribución del campo eléctrico de xoz avión ( y =0 nm), con un tamaño de espacio de 20 nm, 30 nm y 50 nm, respectivamente. El máximo | E | ocurre entre el espacio de los triángulos de Au adyacentes para condiciones de tamaño de espacio de 10 nm, y en las puntas de los triángulos de Au para tamaños de espacio más grandes. El valor máximo varía de 54 a 61, que es una ligera fluctuación. Sin embargo, el campo eléctrico entre SiO ₂ capa es extremadamente baja. Es la misma situación con la de la matriz de estructura MII, con un tamaño de espacio de 30 nm, que se muestra en la Fig. 1f. El campo máximo se produce también en las puntas de los triángulos de Au, aproximadamente 48, que es un poco más pequeño que el del modelo de matriz de estructura MIM con los mismos tamaños de espacio. El campo eléctrico del SiO ₂ capa está cerca de cero, mientras que el campo magnético | H | se mejora, como se muestra en la Fig. 2g. El | H | se puede mejorar ajustando el grosor del espaciador y los triángulos de Au. Comparando con investigaciones previas sobre absorbedores de estructura MIM [32, 34] y nuestro hallazgo, se puede concluir que aunque puede existir un acoplamiento entre triángulos de Au adyacentes, pequeños cambios de este tipo de triángulos (con puntas muy largas y afiladas) no resultarán en movimiento del pico principal y reducción del campo local mejorado. La mejora local del campo eléctrico (~ 48 veces el campo incidente) en las puntas de los triángulos de Au aislados se debe al efecto del tamaño de la punta o al efecto de la barra de iluminación [33, 35], que da como resultado una absorción de ~ 42% del pico principal de MII modelos de estructura. El gran campo eléctrico local (> 54 veces el campo incidente) y la alta absorción (> 90%) de los picos principales deben atribuirse al efecto de barra de iluminación simultánea de los discos triangulares de Au y al modo de resonancia magnética fundamental entre SiO ₂ capas espaciadoras, que excitan la matriz de estructura MIM respondiendo a la luz incidente, lo que resulta en una FWHM ultradelgada de los picos principales con alta absorción. El FWHM de sus principales picos de absorción es significativamente más pequeño que el de la estructura MIM con discos triangulares normales [32], lo que beneficia su rendimiento de detección. La disminución de la absorción de MIM con triángulo dividido a la mitad en cada unidad se debe a una baja densidad de "puntos calientes" [36]. Además, el reflejo de Au también brinda una oportunidad adicional para la absorción de LSPR entre los discos de Au. Por lo tanto, la mejora de campo de la matriz de estructura MIM triangular es un poco mayor que la de la matriz triangular monocapa en Si [37]. Por último, el campo eléctrico de xoy plano ( z =- 30 nm, la superficie superior de la capa superior de Au) del modelo de matriz MIM se muestra en la Fig. 2h. Se pueden ver puntos claros y brillantes en todas las puntas de los triángulos Au. Sin embargo, se puede observar que las manchas se encuentran en la línea central, que es paralela a la x -eje (la dirección polarizada de iluminación) de un vértice de un triángulo y es más brillante. El fenómeno está de acuerdo con los resultados mostrados en la Ref. [37, 38], que indica que parte de la contribución del campo eléctrico principal proviene del componente en el plano paralelo a la luz entrante.

Como el espacio entre triángulos vecinos existe en el experimento, y el control preciso del tamaño del espacio (precisión ~ 15 nm, valor medio mínimo del espacio 10 nm) es posible mediante varios métodos [29, 30], elegimos tener el tamaño del espacio fijo en 30 nm en el siguiente estudio. Luego, los espesores del SiO ₂ medio La capa y las capas superiores de Au se varían, respectivamente. Cuando el espesor de SiO ₂ La capa aumenta, la posición y la amplitud de los picos de absorción cambian rápidamente, lo que se muestra en la Fig. 3a. Cuando el SiO ₂ La capa es delgada, solo existe absorción LSPR y la absorción del pico a ~ 900 nm es baja. Con el aumento de espesor de SiO ₂ capa, se produce un corrimiento al rojo de los picos y la absorción alcanza el 90%. La razón del desplazamiento al rojo de los picos es que cuando el espesor del SiO ₂ La capa aumenta, el índice de refracción efectivo que rodea las matrices triangulares aumenta, lo que da como resultado un desplazamiento hacia el rojo de los picos de plasmón. Mientras tanto, se forma resonancia magnética en el SiO ₂ capa. La resonancia eléctrica (de LSPR) dentro de los triángulos de Au que se combinan con la resonancia magnética responde a la luz incidente, lo que resulta en una absorción extremadamente alta a ~ 900 nm. Además, las puntas afiladas de los triángulos prometen el estrecho FWHM de los picos. Para el rango de espesor del SiO ₂ capa, 25 ~ 40 nm, la absorción es superior al 90%, pero el FWHM del pico es un poco más pequeño cuando el SiO ₂ el espesor es de 25 nm. Esto se debe a que se produce un acoplamiento más intenso entre los modos eléctrico y magnético. Por lo tanto, elegimos 25 nm de SiO ₂ y continuar estudiando el efecto de la capa superior de Au sobre las propiedades ópticas del sensor de estructura MIM. La relación se muestra en la Fig. 3b. La absorción es baja cuando el espesor de los triángulos de Au es de 10 nm. Cuando aumenta el grosor, la posición del pico se desplaza hacia el rojo y aumenta la amplitud. Cuando el espesor aumenta a 30 nm, la amplitud alcanza el 90%. Con el aumento continuo del espesor de la capa superior de Au, la absorción no varía mientras el FWHM se ensancha. El FWHM varía de 3,5 a 6 nm. Debe atribuirse al aumento de la pérdida óhmica con el aumento del espesor de la película superior de Au. Elegimos la capa superior de Au de 50 nm como parámetro apropiado para el sensor MIM, y el FWHM del pico es de 5 nm. La razón del desplazamiento hacia el rojo es que cuando aumenta el grosor de los triángulos de Au, aumenta el número de electrones libres que participan en el choque colectivo y se inclina el efecto de retardo del campo electromagnético; por tanto, la energía requerida para la excitación de resonancia igual se reduce [39]. A medida que muchos electrones libres entran en resonancia, la amplitud aumenta y la FWHM del pico es extremadamente estrecha. La posición del pico está relacionada con la nitidez y las dimensiones geométricas de los triángulos, y el número de electrones libres acumulados en las puntas de los triángulos es grande, la energía requerida para la excitación de resonancia es pequeña y la longitud de onda de resonancia está desplazada al rojo.

un El espectro de absorción varía con el espesor de SiO ₂ capa creciente. b El espectro de absorción varía con el aumento del grosor de la capa de matriz de Au del triángulo superior

Rendimiento de detección

En el estudio anterior, hemos llegado a parámetros optimizados de tamaño de espacio entre las puntas vecinas del disco triangular, espesor de SiO ₂ espaciador y disco superior de Au, que son de 30 nm, 25 nm y 50 nm, respectivamente. En esta parte, se fijan los parámetros ya optimizados, y el espectro de absorción que varía con el índice de refracción ambiental se calcula y se muestra en la Fig. 4. Con el índice de refracción del ambiente en aumento, se puede ver un rápido desplazamiento hacia el rojo de picos de absorción extremadamente estrechos y altos. . La FWHM para cada pico es de aproximadamente 5 nm. Calculamos el RIS y FOM, que son aproximadamente 660 nm / RIU y 132, respectivamente. Los resultados de optimización de las propiedades de detección mediante el estudio numérico de los patrones convencionales son excelentes. Gracias a la pequeña desviación de tamaño de las microesferas disponibles comercialmente, la tecnología de autoensamblaje de microesferas maduras y también los métodos de control preciso del tamaño de la brecha [29, 30], el sensor de estructura MIM sugerido puede encontrar una aplicación práctica en la detección de índice de solución y soluciones de identificación.

El pico de absorción varía con el índice de refracción ambiental (de 1,33 a 1,36) aumentando

Conclusiones

El cálculo numérico se lleva a cabo para estudiar las propiedades ópticas y el rendimiento de detección del sensor de estructura MIM con unidad triangular estampada. El campo eléctrico local mejorado y la alta absorción simultáneamente se atribuyen al fuerte efecto de barra de iluminación de los discos triangulares de Au, el acoplamiento de resonancia plasmónica de la resonancia eléctrica entre los discos triangulares de Au y la resonancia magnética que habitaba en el SiO ₂ capas y matrices MIM triangulares dispuestas de alta densidad. La interacción entre los discos triangulares adyacentes de nuestra estructura y el efecto de los parámetros sobre el pico de absorción es insignificante. Los espesores del SiO ₂ La capa y la capa superior de Au influyen en la posición y amplitud de los picos, que son causados por el ajuste de los dipolos eléctricos y los dipolos magnéticos de la estructura MIM para igualar la impedancia, y el aumento de las dimensiones geométricas de los triángulos cuando el espesor de SiO ₂ / Au capa de triángulo aumenta. Cuando la estructura sugerida coincide bien con su impedancia efectiva, la absorción es extremadamente alta (> 90%). Debido a las puntas largas de las matrices triangulares de Au, la FWHM de los picos es muy estrecha, alrededor de 5 nm. Los RIS y FOM obtenidos son de aproximadamente 660 nm / RIU y 132, respectivamente, para el índice de refracción ambiental de 1,33 ~ 1,36, que son resultados excelentes en comparación con informes anteriores.

Abreviaturas

Al ₂ O ₃ :: Óxido de aluminio
FOM:: Figura de mérito
FWHM:: Ancho completo a la mitad del máximo
LSPR:: Resonancia de plasmón de superficie localizada
MII:: Metal / dieléctrico / dieléctrico
MIM:: Metal / dieléctrico / metal
RIS:: Sensibilidad al índice de refracción
RIU:: Unidad de índice de refracción
SiO ₂ :: Dióxido de silicio

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