Исследование чувствительности к показателю преломленя среды пары нанодисков, разделенных слоем диэлектрика

ВВЕДЕНИЕ 6
1 Литературный обзор 9
1.1 Поверхностный плазмонный резонанс 9
1.2 Виды мод в плазмонных структурах 13
1.3 Сенсоры на основе плазмонного резонанса 15
1.3.1 Типы сенсоров на основе ППР 15
1.3.2 Строение ППР-сенсора 17
1.4 Получение плазмонных наноструктур 18
1.5 Постановка и обоснование целей и задач работы 23
2 Моделирование чувствительности к показателю преломления среды наноструктуры 24
2.1 Программа Ansys Lumerical 24
2.2 Метод FDTD 25
2.3 Проведение вычислительного эксперимента 28
2.4 Анализируемая характеристика 32
2.5 Методика проведения моделирования 33
2.6 Результаты моделирования 36
2.6.1 Моделирование чувствительности золотого нанодиска разной толщины 36
2.6.2 Моделирование чувствительности наноструктуры при разном диаметре слоя Al2O3 39
2.6.3 Моделирование чувствительности наноструктуры при разных диаметрах верхнего золотого диска 48
2.6.4 Обсуждение результатов 55
3 Экспериментальная часть 57
3.1 Технология получения структуры 57
3.2 Регистрация спектров пропускания и расчет чувствительности биосенсоров на основе экспериментально полученного образца 62
3.3 Методика эксперимента 64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 67
Приложение А 70

Весь текст будет доступен после покупки

Плазмоника – перспективное современное направление фотоники, в котором исследуются условия локализации электромагнитных полей в масштабах порядка длины волны и менее. Основное явление, изучаемое в данном разделе – Поверхностный плазмонный резонанс (ППР). Под действием внешнего электромагнитного излучения в системе проводник-диэлектрик возникают поверхностные плазмонные поляритоны, которые представляют собой когерентные электронные колебания, распространяющиеся вместе с электромагнитной волной вдоль границы раздела материалов. В случае рассмотрения систем в наномасштабе говорят о локализованных поверхностных плазмонах. [1]
Явление ППР используется в молекулярной биологии и медицине более четырех десятилетий, на его основе создано множество сенсорных систем. Образование межмолекулярных комплексов на границе раздела двух сред сопровождается изменением показателя преломления одной из них, что приводит к изменениям параметров ППР и частоты поверхностного плазмонного резонанса, регистрируемой детектором. Фактически ППР-детекторы являются рефрактометрами. Методы, основанные на ППР, привлекают исследователей, прежде всего, возможностью регистрации взаимодействий без использования меток (например, радиоизотопов, флуоресцентных красителей, ферментов), высокой чувствительностью, точностью и воспроизводимостью результатов [2,3]. Технология ППР-детекции носит универсальный характер и позволяет регистрировать взаимодействия как низкомолекулярных объектов, так и макромолекул, их агломератов, вирусов и даже целых клеток. Благодаря этим свойствам метод также широко применяется в аналитических исследованиях, экологическом мониторинге, контроле безопасности пищевых продуктов и других областях [4, 5].

Весь текст будет доступен после покупки

1 Литературный обзор

1.1 Поверхностный плазмонный резонанс

В оптическом диапазоне частот свойства металлов можно описать классической моделью газа свободных электронов, или моделью Друде (рис. 1). Согласно теории, свободные электроны представляют собой электронный газ, который движется в поле положительных ионных остовов [1].


Рисунок 1. Модель Друде [1]

При воздействии электромагнитного излучения на металл возникает коллективное движение электронов проводимости. При воздействии внешнего поля на частицу металла с размером меньшим длины волны, электроны проводимости смещаются к границе частицы в направлении, противоположном направлению внешнего электрического поля (рис. 2). Отрицательный заряд формируется на одной стороне частицы, а положительный – на другой, создавая электрический диполь, поле которого направлено противоположно внешнему полю. Одновременно, благодаря кулоновскому притяжению между зарядами разных знаков, возникает возвращающая сила, которая приводит к появлению коллективных осцилляций электронов при определенной частоте [8]. Кванты колебаний электронного газа в проводящем материале называют плазмонами. Резонансное возбуждение таких колебаний электромагнитной волной в тонком слое проводящего материала, помещенного между двух сред с разными показателями преломления, получило название «поверхностный плазмонный резонанс». В процессе колебаний электроны рассеиваются на границах частицы и при взаимодействии с ионами решетки, а значит теряют энергию, поглощение энергии внешнего поля восполняет эти потери. Отсюда плазмонный резонанс сопровождается резонансным поглощением на длине волны индуцирующего внешнего электрического поля.

Рисунок 2. Колебания зарядов в металлической наночастице при взаимодействии с электромагнитной волной [9]

Поверхностные плазмоны – это псевдочастицы, волны переменной плотности электрического заряда, которые могут возникать и распространяться в электронной плазме металла вдоль его поверхности или вдоль тонкой металлической пленки по границе раздела проводника и диэлектрика. Поверхностные плазмоны экспоненциально затухают вдали от границы раздела и остаются замкнутыми на границе раздела. Возникновение ППР возможно при соблюдении условий полного внутреннего отражения.
Явление полного отражения объясняется тем, что при прохождении света из более оптически плотной среды в менее плотную, преломленный луч отклоняется от нормали к поверхности раздела сред (отсюда угол преломления больше угла падения). Если увеличить угол падения настолько, что угол преломления станет больше 90 градусов, то свет не сможет проникнуть вглубь среды с меньшим показателем преломления, и большая часть световой энергии отразится от поверхности раздела сред (рис. 3a). Электрическое поле фотонов все же проникает в менее оптически плотную среду, но лишь на короткое расстояние порядка длины волны света. Если на границе раздела сред расположен тонкий слой проводящего материала, толщина которого меньше длины волны света, проникающий в слой свет порождает колебания свободных электронов. Для эффективного возбуждения колебаний необходимо, чтобы частота света была меньше плазменной частоты колебаний электронов ?_p (ур. 1) [3].
?_p=v((e^2 n)/(m ?_0 ))

где e – элементарный заряд электрона, n – концентрация электронов, ?_0 – диэлектрическая постоянная 8.85*10^(-12), m – масса электрона.
Для формирования волн, распространяющихся вдоль границы раздела, должна существовать компонента электрического поля, нормальная к границе раздела. Следовательно, поверхностные плазмоны – это поперечные магнитные (TM) или P-поляризованные [т.е. для света, распространяющегося вдоль оси x E= (Ex, 0, Ez)] волны, распространяющиеся вдоль границы раздела металл-диэлектрик и экспоненциально затухающие вдали от неё (рис. 3b). S-поляризованная (TE) [т.е. для света, распространяющегося вдоль оси x E= (0, Ey, 0)] падающая электромагнитная волна не может возбудить поверхностные плазмоны, поскольку не содержит никакой компоненты электрического поля, перпендикулярной границе раздела [8].

Весь текст будет доступен после покупки

1. Stefan A. Maier PLASMONICS: FUNDAMENTALS AND APPLICATIONS / Stefan A. Maier — 1-e изд. — New York: Springer Science & Business Media, 2007 — 224 c.
2. Hoang Hiep Nguyen, Jeho Park, Sebyung Kang, Moonil Kim Surface Plasmon Resonance: A Versatile Technique for Biosensor Applications / Hoang Hiep Nguyen, Jeho Park, Sebyung Kang, Moonil Kim // Sensors. — 2015. — № 15. — С. 10481-10510.
3. Сотников, Д. В., Жердев, А. В., Дзантиев, Б. Б. Детекция межмолекулярных взаимодействий, основанная на регистрации поверхностного плазмонного резонанса / Д. В. Сотников, А. В. Жердев, Б. Б. Дзантиев // Успехи биологической химии. — 2015. — № 55. — С. 391–420.
4. Иванов А.С., Медведев А.Е. (2015) Оптический плазмонно-резонансный биосенсор в молекулярном фишинге, Биомедицинская химия, 61, 231–238.
5. Mariani S., Minunni M. (2014) Surface plasmon resonance applications in clinical analysis, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 406, 2303–2323.
6. Maj Frederiksen, Vladimir E. Bochenkov, Ryosuke Ogaki, Duncan S. Sutherland Onset of Bonding Plasmon Hybridization Preceded by Gap Modes in Dielectric Splitting of Metal Disks / Maj Frederiksen, Vladimir E. Bochenkov, Ryosuke Ogaki, Duncan S. Sutherland // Nano Letters. — 2013. — № 13. — С. 6033–6039.
7. Yun-Chorng Chang, Shih-Ming Wang, Hsin-Chan Chung, Chung-Bin Tseng, Shih-Hui Chang Observation of Absorption-Dominated Bonding Dark Plasmon Mode from Metal–Insulator–Metal Nanodisk Arrays Fabricated by Nanospherical-Lens Lithography / Yun-Chorng Chang, Shih-Ming Wang, Hsin-Chan Chung, Chung-Bin Tseng, Shih-Hui Chang // ACS Nano. — 2012. — № 6. — С. 3390-3396.

Весь текст будет доступен после покупки