反射金層上のAu / SiO2三角形アレイの光学特性とセンシング性能

ハイライト

1. 1。

   長くて鋭い先端を持つ均一なMIM三角形構造は、強化された局所電磁界と非常に狭い帯域吸収を約束します。

2. 2。

   MIM三角形構造の密集した配置は、高い吸収を約束します。

3. 3。

   吸収ピークの非常に狭いFWHMは、構造の高性能屈折率検出に貢献します。

背景

金属ナノ粒子およびナノ構造アレイによって運ばれる局在表面プラズモン共鳴（LSPR）は、それ自体に光を取り込むことができます[1,2,3]。特に、それらが小さいか鋭いエッジを持つ場合、ナノスケールの空間領域間で極端に高い局所電磁界が発生します。この現象は研究者の大きな注目を集めています。プラズモンセンサー[4]、広帯域吸収体[5、6]、表面増強ラマン散乱体（SERS）として、パターン化された単層金属膜、または金属/誘電体/金属多層を備え、光学または電子機器の優れた性能を示すさまざまな構造が提案されています。 [7、8]、透明導電性金属[9、10]、および分極変換器[11]。ただし、電子ビームリソグラフィー、集束イオンビームエッチング、ダブルビーム干渉リソグラフィーなどの一般的に使用されるリソグラフィー法[12]は、大面積の超解像パターンアレイの製造、特に高性能のための鋭い先端を持つパターンの製造には適していません。高コスト、低出力、低リソグラフィー解像度、または柔軟性の低さによるフィールドエンハンスメントおよびセンシングアプリケーション。マイクロ/ナノスフィア支援リソグラフィーのおかげで、非常に鋭い角を持つ大面積の三角形、三日月形、六角形の星のようなパターン配列を簡単に得ることができます[13、14、15、16、17、18、19]。センシング分野での応用を容易に見つけることができます[16、17、18、19]。もちろん、多角形のナノプリズムや金属のナノスフェアなどのいくつかの同様のパターンは、化学合成法[20、21]によっても取得でき、低コストでもあります。しかし、得られたプリズムの鋭さは、球体支援リソグラフィーによって得られたパターンの鋭さほど良くありません。ミクロスフェアリソグラフィーにはさまざまな利点があります。

屈折率検出性能は、共振の半値全幅（FWHM）、屈折率感度（RIS）、および性能指数（FOM：RIS / FWHM）によって評価されます。通常の方法は、共振線幅が小さく、RISが高い構造を設計することで、FOMが大きくなります。最近、Giuseppe Strangiのチームは、薄いAl ₂ の交互のフィルムで構成される双曲線メタマテリアルバイオセンサーの製造に成功しました。 O ₃ 金の層であり、屈折率単位（RIU）あたり30,000nmのRISを達成します[22]。 Bin Renグループは、ナノ構造の材料、サイズ、形態を変調することによって共鳴線幅を設計し、3nmまでの共鳴の超狭値幅が実験で得られました[23]。参考文献のセンサーの性能。 [22、23]は優れていますが、欠点は、狭い共振の吸収が低く、製造技術が複雑であることです。三角形の表面パターンの検知性能は、通常、三角形の鋭い先端により、形態パターンが異なる他の種類の同じ構造よりも高くなります。これまで、研究者は主に直径が約500 nm以下の球を選択して、三角形のパターンアレイを作成していました。これは、小さな金属粒子が通常、高い局所電磁場を提供するためです[18、19]。これらの小さな金属粒子の消滅または吸収は、可視光と近紫外線にあります。球の既存のサイズ偏差と任意の隣接する球間の実際のギャップ差に関しては、作成された各三角形のサイズは大きな偏差を持ち、その結果、消光/吸収スペクトルのFWHMが広がります[18、19]。一方、RISとFOMは一般にそれぞれ500 nm / RIUと50未満であるため、ソリューションインデックスの高精度検出への適用が制限されます。

さらに、さまざまな最近の文献の研究は、単層金属パターンデバイスで電磁波を制御する方法と比較して、MIM構造アレイデバイスの電磁波をキャプチャするためのより多くの戦略があることを示唆しています[24、25、26、27、28]。 Fabry-Perotキャビティへの光結合、周期的配列での回折結合（ファノ干渉）、および伝播する表面プラズモンへの結合。単層金属ディスクアレイデバイスは、センシング性能に不利な点があります。

上記の問題を克服するには、サイズの均一性を向上させるために、より大きな球を利用することをお勧めします。球が大きいほど、三角形の物理的な断面積が長くなり、三角形のセンシングパフォーマンスが向上します。推奨される構造には、上部のAu層と中間のSiO ₂ の3つの層が含まれています。 層は重なり合う三角形のパターンであり、最下層はミクロスフェアアレイマスクを利用して製造できるAu反射膜です。提案した構造の共鳴吸収メカニズム、三角形パターンの隣接する先端間のギャップサイズ、およびSiO ₂ の厚さを調査します。 層とAu層は、吸収ピークの位置と振幅に影響を与えます。最後に、最適化構造パラメータが選択され、構造のセンシング特性が計算されます。得られたRISとFOMの結果はそれぞれ660nm / RIUとFOM132であり、以前のレポートよりもはるかに優れています。

メソッド

CSTマイクロ波スタジオソフトウェアは、3層構造の電磁界分布と吸収を計算するために使用されます。金属/誘電体/金属（MIM）構造の概略図を図1に示します。これは、マイクロ/ナノスフェアアレイ支援リソグラフィーによって実現できます[13、29、30]。図1a–cは、MIM構造アレイセンサーと xoy のユニットセルの境界条件を持つ構造モデルのそれぞれの斜視図、断面図、上面図を示しています。 平面（図1cで明確に示されている）、および z に沿ったモデルドメインエッジに課せられた開いた境界条件 -軸は、周波数領域ソルバーを使用してSパラメータを計算するように設定されています。図1dは、構造配列の上面図であり、 xoy の周期境界条件です。 z に沿ったモデルエッジでの平面および開放境界条件 -軸は、時間領域ソルバーを利用して電磁界分布を計算するように設定されています。完全一致層は、 z に沿って開いた境界の外側に配置されます -軸。アダプティブメッシュリファインメントはすべての計算に適用され、解決精度は− 60dBです。 z に沿った入射方向の平面波 - x に沿った軸と偏光方向 -軸（電磁界の計算用）が設定され、振幅は1 V / Mです。材料の光学定数は、参考文献から取得されます。 [31]。シミュレーション中、隣接する三角形の中心間の間隔は900 nmに固定され、隣接する三角形の先端間のギャップ、中間の誘電体層の厚さ、および上部の金属層の厚さが調整されます。吸収スペクトルとスペク​​トルシフトが得られます。環境の屈折率を変化させることにより、外部の材料の変化に対するスペクトルの感度が得られます。計算結果と分析は以下のとおりです。

MIM構造センサーの概略図。 a 透視図。 b 断面図。 c 、 d 上面図

結果と考察

光学特性

MIM構造の構造パラメータは体系的に変更されます。まず、上部のAuと中間の誘電体層をそれぞれ30nmと30nmに設定します。下部のAuフィルムは100nmで、すべての光を反射するのに十分な厚さです。トランスミッション T ほぼ0です[24]。吸収 A 1-R（R：モデルによる反射率）を使用して取得できます。環境の屈折率は1.34です。隣接する三角形の隣接する先端間のギャップが吸収ピークにどのように影響するかを知るために、まず、吸収スペクトルと隣接する先端間のギャップとの関係を調べます。結果を図2に示します。図2aは、ギャップサイズが10 nm、20 nm、30 nm、40 nm、および50nmのMIM構造アレイの吸収スペクトルを示しています。スペクトルから、チップギャップ（10〜50 nmの間で変化）がメインピーク（〜900 nm）の位置と振幅に影響を与えないことがわかります。これは、別の共振モードとの関連を示唆しています。 30 nmのギャップサイズのMIM構造アレイに続いて、各ユニットに半分の三角形を持つMIM構造アレイモデルが構築され、さらに分析されます。三角形の配置がまばらなモデルの隣接する三角形間の最小ギャップサイズは500nmより大きく、相互作用はありません。モデルのSパラメータを計算します。その吸収スペクトルは、図2aの挿入図です。メインピークの位置は、ギャップサイズが小さい（10〜50 nmの間で変動する）MIM構造アレイの位置とほぼ同じですが、ピークの吸収は大幅に減少します。したがって、メインピークの形成は主に孤立したMIMユニットに関連していると結論付けることができます。メインピークの形成理由をさらに確認するために、モデルを作成し、ギャップサイズ（10〜50 nmの間で変化）を維持し、下部のAu膜をSiO ₂ に置き換えます。 フィルム、構築されています。変更されたモデル（金属/誘電体/誘電体、MII）の吸収を図2bに示します。図2a、bの900 nm付近のピークは、ほぼ同じ位置とFWHMにありますが、後者の振幅は前者の振幅よりはるかに小さくなっています。 MIM構造アレイのメインピークの形成理由は、パターン化された最上層と中間層に起因すると結論付けることができます。一方、MIM構造の反射Au基板は、吸収を高める上で重要な役割を果たします。 MII構造には、LSPRと表面格子共鳴（SLR）が存在します[28]。 SLRのピーク位置は約1000nmです。これは、他のAuディスクと比較してコヒーレント回折結合を備えた1つのAuディスクのLSPモードの結果です。 SiO ₂ の厚さとして 薄すぎると、MIM構造でSLRが観察されません。偏光はMIM構造アレイの吸収スペクトルにわずかに影響するため[32、33]、ここでは説明しません。

吸収スペクトルは、MIM構造アレイの三角形の隣接する先端間のギャップサイズの増加に応じて変化します（ a ）およびMII構造体配列（ b ）。 a の右上隅の挿入図 は孤立したMIM構造の吸収スペクトルです。 c – e 電界 | E | xoz の配布 飛行機（ y =0 nm）ギャップサイズがそれぞれ20 nm、30 nm、50nmのMIM構造アレイモデル。 f | E | xoz の配布 飛行機（ y =0 nm）ギャップサイズ30nmのMII構造アレイモデル。 g | H | xoz の配布 飛行機（ y =0 nm）ギャップサイズが30nmのMIM構造アレイモデル。 h | E | xoy の配布 平面（ z =− 30 nm）ギャップサイズが30nmのMIM構造アレイモデル

詳細を分析するために、直線偏光光源（メインピークの位置である波長893.8 nm）で照らされた、図1dに示すような上面図の周期モデルが作成されます。電界 | E | 図2c–gに示されています。図2c–eは、 xoz の電界分布です。 飛行機（ y =0 nm）、ギャップサイズはそれぞれ20 nm、30 nm、50nmです。最大 | E | ギャップサイズが10nmの場合、隣接するAu三角形のギャップ間で発生し、ギャップサイズが大きい場合はAu三角形の先端で発生します。最大値は54から61まで変化しますが、これはわずかな変動です。ただし、SiO ₂ 間の電界 層が非常に低いです。これは、図1fに示すように、ギャップサイズが30nmのMII構造アレイの場合と同じ状況です。最大電界は、同じギャップサイズのMIM構造アレイモデルよりも少し小さい約48のAu三角形の先端でも発生します。 SiO ₂ の電界 磁場が | H | である間、層はゼロに近い 図2gに示すように、が強化されています。 | H | スペーサーとAuの三角形の厚さを調整することで改善できます。 MIM構造吸収体に関する以前の研究[32、34]と私たちの発見を比較すると、隣接するAu三角形の間に結合が存在する可能性はありますが、この種の三角形の小さな変化（非常に長く鋭い先端を持つ）は結果として生じないと結論付けることができます。メインピークの動きと強化された局所場の減少。孤立したAu三角形の先端での電界の局所的な増強（入射電界の約48倍）は、先端サイズ効果または避雷針効果によるものであり[33、35]、MIIのメインピークの吸収が約42％になります。構造モデル。メインピークの大きな局所電場（> 54倍の入射電場）と高い吸収（> 90％）は、Au三角形ディスクの同時避雷針効果とSiO _{2間の基本的な磁気共鳴モードに起因するはずです。} 入射光に応答してMIM構造アレイを励起するスペーサー層により、吸収率の高いメインピークの超狭値幅が得られます。その主な吸収ピークのFWHMは、通常の三角形のディスクを備えたMIM構造のFWHM [32]よりも大幅に小さく、センシング性能にメリットがあります。各ユニットで三角形が半分になっているMIMの吸収が減少するのは、「ホットスポット」の密度が低いためです[36]。さらに、リフレクトAuは、Auディスク間でLSPRを吸収するための追加の機会も提供します。したがって、三角MIM構造アレイの電界増強は、Si上の単層三角アレイの電界増強よりも少し高くなります[37]。最後に、 xoy の電界 平面（ z =− 30 nm、MIMアレイモデルの最上部のAu層の上面）を図2hに示します。 Auの三角形のすべての先端に明確な明るいスポットが見られます。ただし、スポットは x に平行な中心線上にあることがわかります。 -三角形の頂点の軸（照明の偏光方向）で、より明るくなります。この現象は、参考文献に示されている結果と一致しています。 [37、38]、これは、主な電界の寄与の一部が、入射光に平行な面内成分から生じることを示しています。

実験では隣接する三角形の間にギャップが存在し、ギャップサイズの正確な制御（精度〜15 nm、最小平均ギャップ値10 nm）がいくつかの方法で可能であるため[29、30]、ギャップサイズをに固定することを選択します。次の調査では30nmです。次に、中央のSiO ₂ の厚さ 層と最上部のAu層はそれぞれ変化します。 SiO ₂ の厚さの場合 層が増加すると、吸収ピークの位置と振幅が急速に変化します。これを図3aに示します。 SiO ₂ の場合 層が薄く、LSPR吸収が存在するだけで、〜900nmのピークの吸収は低くなります。 SiO ₂ の厚みが増すにつれて 層では、ピークの赤方偏移が発生し、吸収が90％に達します。ピークの赤方偏移の理由は、SiO ₂ の厚さが 層が増加すると、三角配列を囲む有効屈折率が増加し、その結果、プラズモンピークの赤方偏移が発生します。一方、SiO ₂ では磁気共鳴が発生します 層。磁気共鳴と組み合わされたAu三角形内の（LSPRからの）電気共鳴は、入射光に応答し、約900nmで非常に高い吸収をもたらします。さらに、三角形の鋭い先端は、ピークの狭いFWHMを約束します。 SiO ₂ の厚さ範囲 層、25〜40 nm、吸収は90％より高いですが、SiO ₂ の場合、ピークのFWHMは少し小さくなります。 厚さは25nmです。これは、電気モードと磁気モードの間でより強い結合が発生するためです。したがって、25nmのSiO ₂ を選択します。 そして、MIM構造センサーの光学特性に対する最上部のAu層の影響を研究し続けます。関係を図3bに示します。 Auの三角形の厚さが10nmの場合、吸収は低くなります。厚みが増すと、ピーク位置が赤方偏移し、振幅が大きくなります。厚さが30nmに増加すると、振幅は90％に達します。最上部のAu層の厚さが増加し続けると、FWHMが広がる間、吸収は変化しません。 FWHMは3.5〜6nmの範囲で変化します。これは、上部のAu膜の厚さが増すにつれてオーム損失が増えることに起因するはずです。 MIMセンサーの適切なパラメーターとして50nmの最上部のAu層を選択し、ピークのFWHMは5nmです。赤方偏移の理由は、Auの三角形の厚さが増すと、集団衝撃に関与する自由電子の数が増え、電磁界の遅延効果が傾斜するためです。したがって、等共鳴励起に必要なエネルギーが削減されます[39]。多くの自由電子が共鳴するため、振幅が大きくなり、ピークの半値幅が非常に狭くなります。ピーク位置は三角形の鋭さと幾何学的寸法に関係しており、三角形の先端に蓄積される自由電子の数が多く、共鳴励起に必要なエネルギーが小さく、共鳴波長が赤方偏移しています。

a 吸収スペクトルは、SiO ₂ の厚さによって異なります。 層が増加します。 b 吸収スペクトルは、上三角のAuアレイ層の厚さが増すにつれて変化します

センシングパフォーマンス

上記の研究では、三角形のディスクの隣接する先端間のギャップサイズ、SiO ₂ の厚さの最適化されたパラメータに到達しました。 スペーサーと上部のAuディスクは、それぞれ30 nm、25 nm、50nmです。この部分では、すでに最適化されたパラメータが固定され、環境の屈折率に応じて変化する吸収スペクトルが計算され、図4に示されています。環境の屈折率が増加すると、非常に狭く高い吸収ピークの急速な赤シフトが見られます。 。各ピークのFWHMは約5nmです。 RISとFOMを計算します。これらは、それぞれ約660 nm / RIUと132です。従来のパターンの数値研究によるセンシング特性の最適化結果は優れています。市販のミクロスフェアの小さなサイズ偏差、成熟したミクロスフェア自己組織化技術、および正確な制御ギャップサイズの方法[29、30]のおかげで、提案されたMIM構造センサーはソリューションインデックスおよび識別ソリューションの検出に実用的なアプリケーションを見つけることができます。

吸収ピークは、環境の屈折率（1.33から1.36）の増加に応じて変化します

結論

パターン化された三角形ユニットを備えたMIM構造センサーの光学特性とセンシング性能を研究するために数値計算が実行されます。増強された局所電場と高吸収は、Au三角形ディスクの強力な照明棒効果、Au三角形ディスク間の電気共鳴のプラズモニック共鳴結合、およびSiO ₂ に存在する磁気共鳴に起因します。 レイヤー、および高密度に配置された三角形のMIMアレイ。私たちの構造の隣接する三角形のディスク間の相互作用と吸収ピークに対するパラメータの影響はごくわずかです。 SiO ₂ の厚さ 層と最上部のAu層は、インピーダンスに一致するようにMIM構造の電気双極子と磁気双極子を調整することによって引き起こされるピークの位置と振幅、およびSiO _{2 > / Au三角形レイヤーが増加します。提案された構造がその実効インピーダンスとよく一致する場合、吸収は非常に高くなります（> 90％）。三角形のAuアレイの先端が長いため、ピークのFWHMは非常に狭く、約5nmです。得られたRISとFOMは、環境屈折率1.33〜1.36でそれぞれ約660 nm / RIUと132であり、以前のレポートと比較して優れた結果です。}

略語

Al ₂ O ₃ ：

酸化アルミニウム

FOM：

性能指数

FWHM：

半値全幅

LSPR：

局在表面プラズモン共鳴

MII：

金属/誘電体/誘電体

MIM：

金属/誘電体/金属

RIS：

屈折率感度

RIU：

屈折率単位

SiO ₂ ：

二酸化ケイ素