ВЛАСТИВОСТІ СЕНСОРІВ ПОВЕРХНЕВОГО ПЛАЗМОННОГО РЕЗОНАНСУ З ПІДШАРОМ ITO
DOI:
https://doi.org/10.32851/tnv-tech.2022.3.4Ключові слова:
поверхневий плазмонний резонанс, ІТО, політетрафторетиленАнотація
В результаті досліджень оптичних та електричних властивостей ППР-сенсорів з додатковим підшаром ІТО визначено вплив цього підшару на кутове положення плазмонного резонансу та на значення діелектричної проникності металевого шару. Досліджувались наступні оптичні та електричні характеристики: спектри пропускання у видимому та ближньому інфрачервоному діапазоні довжин хвиль, резонансний кут рефрактометричних характеристик, абсолютні діелектричні проникності відповідних шарів наноструктури, вольт-ватні характеристики плівки ІТО, а також температурні залежності кутового положення резонансного кута при самонагріванні структури. Також досліджувалось ефективність застосування плівкового нагрівача у порівнянні з резистивним об’ємним. За результатами чисельного моделювання рефрактометричних характеристик ППР наноструктур «ITO-Au-ПТФЕ» в діапазоні довжин хвиль від 500 до 1600 нм було встановлено, що збільшення товщини ІТО практично не впливає на зсув кутового положення резонансу (0,4 кут.сек./нм), а зростання товщини плівки ПТФЕ суттєво його зсуває (0,33 град./ нм). Експериментальні дослідження показали вплив наявності підшару ІТО оптимальної товщини, як на кутове положення плазмонного резонансу, так і на значення діелектричної проникності плазмонзбуджуючого шару. Визначено оптимальні товщини для шарів ITO (66 нм) та ПТФЕ (від 10 нм до 40 нм). Середнє значення уявної складової абсолютної діелектричної проникності εаi зменшилось на 10% з 9,548 пФ/м до 8,554 пФ/м, що позитивно вплинуло на зменшення втрат. Встановлено нелінійну залежність резонансного кута від температури самонагрівання наноструктури: спочатку значення резонансного кута зменшувалось, а потім при температурі 47 °С – резонансний кут зростав, що свідчило про зміну оптичних констант шарів чутливого елемента ППР-сенсора. Проведені дослідження дозволяють вдосконалити процес розробки оптоелектронних ППР-приладів та перспективних для дослідження напівпровідникових матеріалів для наноплазмоніки.
Посилання
Homola, J., Yee, S. and Gauglitz, G. Surface plasmon resonance sensors: review, Sensors and Actuators B 54, (1999) 3–15.
Yu.M. Shirshov, A.V. Samoylov, S.A. Zinyo, E.R. Surovceva, V.Mirskiy, “Bimetallic layers increase sensitivity of affinity sensors based on surface plasmon resonance”, Sensors, 2002, p. 62–70.
Nan-Fu Chiu, Yi-Chen Tu, Teng-Yi Huang, “Enhanced Sensitivity of Anti-Symmetrically Structured Surface Plasmon Resonance Sensors with Zinc Oxide Intermediate Layers”, Sensors, 2014, p. 170–187.
D. A. Grynko, A. N. Fedoryak, P. S. Smertenko, O. P. Dimitriev, N. A. Ogurtsov and A. A. Pud, “Hybrid solar cell on a carbon fiber”, Nanoscale Research Letters, Springer, 2016, pp. 265–273.
Innem V. A. K. Reddy, Josep M. Jornet, Alexander Baev, and Paras N. Prasad, "Extreme local field enhancement by hybrid epsilon-near-zero–plasmon mode in thinfilms of transparent conductive oxides," Opt. Lett. 45, 5744–5747 (2020)
K. Grytsenko, Yu. Kolomzarov, P. Lytvyn, [et al.]. Effect of magnetic field on film formation by means of polytetrafluoroethylene decomposition in vacuum, MATERIALS, TECHNOLOGIES, TOOLS – 2011, 16, No4, p. 56–59.
Hastings J. T., Guo J., Keathley P. D., Kumaresh P. B., Wei Y., Law S., and Bachas L. G. Optimal self-referenced sensing using long- and short- range surface plasmons. Optics express. 2007. 15, No 26. P. 17661–17672.
Masaru Mitsushio, Akimichi Nagaura, Toshifumi Yoshidome, Morihide Higo. Molecular selectivity development of Teflon® AF1600-coated gold-deposited surface plasmon resonance-based glass rod sensor. Progress in Organic Coatings.2015. 79. P. 62–67.
Дорожинська Г.В., Дорожинський Г.В., Маслов В.П., Гриценко К.П., Коломзаров Ю.В., Литвин П.М., Дорошенко Т.П. Особливості застосування додаткового наношару політетрафторетилену у сенсорах на основі явища поверхневого плазмонного резонансу. Оптоэлектроника и полупроводниковая техника, № 54 (2019). 88–95.
S. K. Ozdemir, G. Turhan-Sayan, “Temperature Effects on Surface Plasmon Resonance: Design Considerations for an Optical Temperature Sensor”, Journal of light wave technology, 2003, p. 805–815.
Anuj K. Sharma and Banshi D. Gupta, "Influence of temperature on the sensitivity and signal-to-noise ratio of a fiber-optic surface-plasmon resonance sensor," Appl. Opt. 45, 151–161 (2006).
G. Dorozinsky, V. Maslov, A. Samoylov, Yu. Ushenin, “Reducing measurement uncertainty of instruments based on the phenomenon of surface plasmon resonance”, American Journal of Optics and Photonics, 2013, p. 17–22.
Yu.V. Ushenin, V.P. Maslov, T.A. Turu, N.V. Kachur, “Application of temperature sensors for improving the device based on the phenomenon of surface plasmon”, Sensor Electronics and Мicrosystem Technologies, Odessa, 2016, pp. 33–40.
Maslov V.P., Kachur N.V., Dorozinsky G.V. Investigation of Sensors Based on ITO Nanofilms in SPR-Devices. American Journal of Optics and Photonics, Vol. 4, № 3 (2016) 20–24.
Аззам Р.Эллипсометрия и поляризованный свет. / Р. Аззам, Н. Башара. М. : Мир, 1981. 583 с.
Chegel V. I., Shirshov Yu. M., Kostyukevich S. O., [et al.] Experimental investigations and computer modelling of the photochemical processes in Ag-As2S3 structure susing surface plasmon resonance spectroscopy. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2001. 4, No 4. P. 301–306.
