Sensor plasmónico basado en nanoprismas dieléctricos con SPR de incidencia normal para sensibilidad mejorada

Resumen

Presentamos un sensor plasmónico que emplea un array periódico de nanoprismas dieléctricos extruidos para excitar resonancias de plasmon superficial (SPRs). La geometría del nanoprisma canaliza la luz incidente hacia la interfaz metal-dieléctrico, donde el dieléctrico sirve como medio analito. El dispositivo opera bajo iluminación de incidencia normal y se interroga espectralmente. Comparado con configuraciones Kretschmann convencionales, entrega mayor sensibilidad y una figura de mérito superior mientras permanece compatible con procesos de nanofabricación estándar.

Antecedentes

Los sensores de resonancia de plasmon superficial (SPR) se han convertido en una piedra angular de la detección óptica sin etiquetas en aplicaciones biomédicas y de ciencia de materiales. Los diseños tradicionales dependen de interrogación angular o espectral, con la configuración Kretschmann siendo el enfoque más ampliamente adoptado. En este esquema, la luz se acopla en una película metálica delgada a través de un prisma de alto índice, requiriendo un ángulo de incidencia preciso para satisfacer la condición de coincidencia de vector de onda. La necesidad de un gran ángulo de incidencia a menudo limita la practicidad y el potencial de integración del sensor.

Se han propuesto varias estrategias de incidencia normal, incluyendo surcos metálicos estrechos, nanocavidades y redes dieléctricas. Estos diseños explotan valles espectrales con anchos sub-nanométricos, mejorando la figura de mérito (FOM). Sin embargo, restricciones de fabricación—como anchos de surco de 3 nm—pueden impedir la escalabilidad. Una alternativa es usar estructuras dieléctricas que canalizan la luz hacia la interfaz metal-dieléctrico. Redes dieléctricas de alto aspecto (HARDG) guían luz hacia capas activas de fotovoltaicos y pueden reutilizarse para aplicaciones de detección.

En este trabajo, introducimos un array de nanoprismas que dirige luz de incidencia normal hacia una interfaz metal-dieléctrico, mejorando el campo evanescente en la superficie de detección. El diseño es totalmente compatible con litografía estándar y técnicas de spin-coating, lo que lo hace atractivo para prototipado rápido y producción a gran escala.

Métodos

La geometría del dispositivo se ilustra en la Fig. 1a. Un array periódico de nanoprismas isósceles se graba en un sustrato de MgF₂. Los surcos triangulares se rellenan con óxido de aluminio y zinc (AZO), que puede depositarse vía spin-coating, produciendo una superficie plana para la subsiguiente deposición de metal. Una película delgada de oro (30 nm) se sputteriza luego sobre el AZO, formando la capa plasmónica. El agua se usa como analito para emular condiciones de biosensado. Las constantes ópticas se tomaron de bases de datos reputadas: MgF₂, AZO y oro.

Al iluminar la estructura con una onda plana polarizada TM desde el lado del sustrato (amplitud de campo 1 V/m), el flujo de potencia simulado (Fig. 1b) confirma que los nanoprismas enfocan energía en la interfaz metal-dieléctrico, mejorando el campo local respecto a la configuración clásica Kretschmann. La longitud de onda de resonancia es ajustable vía el período del prisma, P.

El dispositivo se modela en COMSOL Multiphysics usando el método de elementos finitos. La validación contra soluciones analíticas para la configuración Kretschmann confirma la precisión del modelo. La optimización apunta a dos métricas clave: (i) amplitud de campo en la interfaz metal-agua y (ii) ancho a media altura (FWHM) del valle de reflectancia. Sensibilidad (S_B) y FOM se definen como:

S_B = Δλ/Δn (nm/RIU) (Ec. 2)

FOM = S_B/FWHM (1/RIU) (Ec. 3)

La optimización produce los siguientes parámetros geométricos: espesor de capa buffer t_BL = 100 nm, espesor de metal t_M = 30 nm, ancho de prisma w_G = 325 nm, altura H = 700 nm y período P = 550 nm. Estos valores equilibran rendimiento con tolerancias de fabricación realistas.

Los mapas de magnitud de campo eléctrico a λ=758 nm para polarización TM (Fig. 2a) y la decadencia de campo a lo largo de la dirección de propagación para configuraciones Kretschmann (negro discontinuo) y nanoprisma (rojo sólido) (Fig. 2b) ilustran la mejora del campo. Las curvas de reflectancia espectral (Fig. 3a) muestran que el dispositivo de nanoprisma mantiene una resonancia aguda incluso cuando el índice de refracción del analito se acerca al de la capa buffer. La sensibilidad máxima alcanzada es 250 nm/RIU con un FOM de 100 1/RIU—valores que superan resultados típicos de Kretschmann.

Resultados y Discusiones

Para ampliar el rango operacional de índice de refracción, la capa buffer se reemplazó de AZO a fosfuro de galio (GaP) (constantes ópticas de [34]). El índice más alto de GaP mitiga la degradación del pico espectral observada con AZO cuando el índice del analito aumenta. El material del nanoprisma permanece AZO para preservar el efecto de canalización.

La plata ofrece rendimiento plasmónico superior comparado al oro, pero su falta de biocompatibilidad limita su uso en biosensado. Exploramos entonces una pila bimetálica: 25 nm Ag recubierto con 5 nm Au. La Fig. 4a demuestra que esta bicapa produce una resonancia que combina la nitidez de la plata con la capa protectora de oro. La pila optimizada produce un valle espectral a longitud de onda más corta y un FWHM más estrecho comparado con cada metal solo.

Con el buffer GaP y la bicapa Ag/Au, el sensor alcanza una sensibilidad máxima de 450 nm/RIU que permanece estable en un rango de índice de refracción de 1,33-1,43. Correspondientemente, el FOM abarca 160-220 1/RIU—superando aproximaciones recientes de grafeno, silicio, óxido y nanoprismas metálicos.

Conclusiones

Hemos demostrado un sensor de nanoprisma dieléctrico que amplifica el campo local en la interfaz metal-analito, permitiendo mayor penetración SPR y volúmenes de interacción mayores. La arquitectura de incidencia normal simplifica la integración—p. ej., con sondas de fibra óptica—y entrega rendimiento excepcional: sensibilidad de meseta de ~450 nm/RIU y valores FOM entre 160 y 220 1/RIU sobre 1,33-1,43 RIU. Optimizaciones de materiales—incluyendo buffer GaP y bicapa Ag/Au—extienden el rango operacional de índice mientras mantienen biocompatibilidad. Estos atributos hacen el dispositivo adecuado para diagnóstico biomédico, monitoreo ambiental y detección de líquidos industriales.