Ag-TiO2薄膜表面等離子體共振光譜特性研究*

劉　超， 汪發(fā)美, 呂靖薇, 顧雪平， 楊　琳, 牟海維

(東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院, 黑龍江 大慶 163318)

?

Ag-TiO2薄膜表面等離子體共振光譜特性研究*

劉超， 汪發(fā)美, 呂靖薇, 顧雪平， 楊琳, 牟海維

(東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院, 黑龍江 大慶 163318)

摘要:以拓寬Ag膜波長(zhǎng)調(diào)制型表面等離子體共振(SPR)傳感器的工作波長(zhǎng)區(qū)間, 將TiO2膜沉積于Ag膜表面制成Ag-TiO2復(fù)合薄膜。利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)不同厚度Ag膜和Ag-TiO2復(fù)合膜波長(zhǎng)調(diào)制型SPR光譜特性進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明:共振吸收峰顯著依賴于Ag膜厚度；當(dāng)保持Ag-TiO2復(fù)合膜厚度60 nm時(shí)，復(fù)合薄膜SPR波長(zhǎng)隨TiO2厚度的增大而向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，發(fā)現(xiàn)紅移; 與60 nm厚Ag膜共振波長(zhǎng)相比，12 nm厚TiO2與48 nm厚Ag組成的復(fù)合膜共振波長(zhǎng)紅移超過(guò)200 nm。

關(guān)鍵詞:表面等離子體共振； 共振波長(zhǎng)； 紅移

0引言

表面等離子體共振(surface plasmon resonance,SPR) 是光與金屬表面電子疏密波相互作用所產(chǎn)生的一種奇特光學(xué)現(xiàn)象。因其對(duì)外界介質(zhì)折射率的微小變化極其敏感且易于微型化的優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境污染、食品安全等方面展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，受到國(guó)際傳感技術(shù)與納米光子學(xué)領(lǐng)域科研人員的密切關(guān)注[1～4]。目前，SPR傳感結(jié)構(gòu)主要有角度調(diào)制型[5]、波長(zhǎng)調(diào)制型[6]和相位調(diào)制型[7]三類。絕大多數(shù)SPR傳感器均采用金屬薄膜(如Au,Ag等)作為表面等離子體波的激發(fā)載體。其中，由于基于Ag薄膜的SPR具有更高的靈敏度而受到關(guān)注。然而，這類貴金屬SPR現(xiàn)象的激發(fā)均發(fā)生在500 nm可見(jiàn)光波段，存在工作波長(zhǎng)范圍偏窄和使用貴金屬而導(dǎo)致的成本過(guò)高等問(wèn)題[8]。

基于上述考慮，本文采用數(shù)值方法研究波長(zhǎng)調(diào)制型Ag-TiO2復(fù)合膜SPR傳感器的光譜特性，設(shè)計(jì)優(yōu)化復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)，為拓寬SPR傳感器的共振波長(zhǎng)范圍提供理論指導(dǎo)。

1SPR傳感器的基本原理

SPR技術(shù)的基本原理實(shí)質(zhì)為基于光入射介質(zhì)—金屬薄膜—待測(cè)介質(zhì)三層結(jié)構(gòu)全內(nèi)反射光學(xué)現(xiàn)象。圖1示出了三層介質(zhì)結(jié)構(gòu)SPR傳感原理示意圖。一束P偏振光以一定角度入射到介質(zhì)1與金屬界面發(fā)生全反射產(chǎn)生倏逝波，其波矢量為Kx。在金屬薄膜與待測(cè)介質(zhì)界面上，存在一種局限于金屬表面上沿X方向傳播并且幅度沿縱向衰減表面等離子體波(surface plasmon wave，SPW)，其波矢為Ksp。當(dāng)倏逝波波矢Kx與表面等離子體波波矢Ksp相匹配時(shí)，入射光波矢沿X軸的分量與表面等離子體波波矢的X分量相同，入射光的能量被等離子體波大幅度吸收，導(dǎo)致反射光強(qiáng)急劇降低，二者發(fā)生諧振，即滿足式(1)

(1)

式中ω為光波的角頻率，c為真空中的光速，ε1為介質(zhì)1的介電常數(shù)， θ0為入射角,εm為金膜的介電常數(shù)， εs為待測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)。

圖1　三層介質(zhì)結(jié)構(gòu)SPR傳感原理示意圖Fig 1　Diagram of sensing principle of three-layer medium structure based on SPR

2仿真結(jié)果與討論

金屬敏感膜的厚度是影響SPR傳感器靈敏度的一個(gè)主要因素。圖2所示為外界介質(zhì)折射率為1時(shí)，基于不同厚度Ag納米薄膜SPR光譜仿真結(jié)果圖。從圖中可以清楚地看出，當(dāng)Ag膜厚度由40 nm逐漸增加到80 nm時(shí)，共振吸收峰的半峰寬逐漸減小，吸收峰銳化程度增強(qiáng)，這有助于確定共振波長(zhǎng)的位置。同時(shí)由圖可見(jiàn)，隨著Ag膜厚度的增大，各厚度Ag膜的共振波長(zhǎng)幾乎保持不變；而吸收峰對(duì)應(yīng)的反射率先減小后增大，其中,60 nm厚Ag膜的共振現(xiàn)象最為明顯，其共振波長(zhǎng)為481.25 nm，共振全峰半寬度約為29.60 nm。

圖3示出了外界介質(zhì)折射率為1時(shí)，基于Ag-TiO2復(fù)合薄膜SPR光譜仿真結(jié)果圖。由仿真結(jié)果可知，在P偏振光激勵(lì)下Ag-TiO2復(fù)合薄膜也可產(chǎn)生SPR現(xiàn)象，但復(fù)合膜的SPR峰位不同。從圖中可以看出，在保持復(fù)合膜厚度為60 nm不變的情況下，Ag-TiO2復(fù)合薄膜的SPR波長(zhǎng)隨TiO2薄膜厚度的增大而向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，即復(fù)合薄膜的共振波長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)明顯紅移現(xiàn)象。共振波長(zhǎng)與TiO2厚度之間的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，與60 nm厚單層Ag膜的共振波長(zhǎng)相比較，12 nm厚TiO2膜的引入導(dǎo)致共振波長(zhǎng)紅移超過(guò)200 nm，這表明,利用Ag-TiO2復(fù)合薄膜可使SPR現(xiàn)象發(fā)生在近紅外光區(qū)域。此外，從圖4還可以看出:復(fù)合膜SPR峰深度隨TiO2厚度的增加幾乎不發(fā)生變化，表明共振峰深度不依賴于TiO2膜厚度；共振全峰半峰寬度雖然隨TiO2薄膜厚度的增大略有增大，但半峰寬增大并不明顯，表明復(fù)合膜仍具有較高的傳感靈敏度。

圖2　不同厚度Ag膜光纖SPR傳感器的仿真光譜圖Fig 2　Simulated spectra of optical fiber SPR sensors based on Ag thin films with different thickness

圖3　不同厚度Ag-TiO2復(fù)合膜光纖SPR傳感器的仿真光譜圖Fig 3　Simulated spectra of optical fiber SPR sensors based on Ag-TiO2 composite thin films with different thickness

圖4　共振波長(zhǎng)和全峰半寬度與Ag-TiO2膜厚度的變化關(guān)系曲線Fig 4　Relationship curves between resonance wavelength and half width of peak and change of Ag-TiO2 film thickness

3結(jié)論

本文采用數(shù)值計(jì)算方法仿真研究了基于Ag膜和Ag-TiO2復(fù)合膜波長(zhǎng)調(diào)制型SPR傳感器的光譜特性，得出主要結(jié)論如下：

1)當(dāng)外界介質(zhì)折射率為1.0時(shí)，60 nm厚Ag膜的SPR現(xiàn)象最明顯，其共振波長(zhǎng)為481.25 nm；

2)當(dāng)保持Ag-TiO2復(fù)合膜厚度為60 nm時(shí)，復(fù)合薄膜SPR波長(zhǎng)隨TiO2薄膜厚度的增大而向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，發(fā)現(xiàn)紅移；

3)Ag-TiO2復(fù)合薄膜可使SPR現(xiàn)象發(fā)生在近紅外光區(qū)域，并且仍具有較高的傳感靈敏度。

參考文獻(xiàn):

[1]Monzon H D,Villatoro J. High resolution refractive index sensing by means of a multiple-peak surface plasmon resonance optical fiber sensor[J]. Sensors and Actuators B,2006,115(1):227-231.

[2]Shao L,Shevchenko Y,Albert J.Intrinsic temperature sensitivity of tilted fiber Bragg grating based surface plasmon resonance sensors[J]. Optics Express,2010,18(11):11465-11471.

[3]Yuan Y Q,Hu D,Li H,et al. Theoretical investigations for surface plasmon resonance based optical fiber tip sensor[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2013,188:757-760.

[4]Tu M H,Sun T,Grattan K T V.Optimization of gold-nanoparticle-based optical fibre surface plasmon resonance-based sensors[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2012,164(1):43-53.

[5]Kretschmann E,Raether H. Radiative decay of nonradiative surface plasmon excited by light[J].Z Naturforsch,1986,23A:2135-2136.

[6]Englebienne P,Van H,Verhas M. Surface plasmon resonance:Principles,methods and applications in biomedical sciences [J]. Spectroscopy,2003,17:255-273.

[7]Piliarik M,Homola J,Manikova Z. Surface plasmon resonance sensor based on a single-mode polarization-maintaining optical fiber[J]. Sensors and Actuators B,2003,90(2):236-242.

[8]Navneet K Sharma,Mahima Rani,Vivek Sajal.Surface plasmon resonance based fiber-optic sensor with double resonance dip-s[J].Sensors and Actuators B,2013,188:326-333.

Research on spectral characteristic of surface plasmon resonance of Ag-TiO2thin films*

LIU Chao, WANG Fa-mei, Lü Jing-wei, GU Xue-ping, YANG Lin, MU Hai-wei

(College of Electronics Science, Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

Abstract:In order to broaden working wavelength range of surface plasmon resonance (SPR) sensors based on Ag thin film,deposit TiO2 thin film onto Ag film to fabricate Ag-TiO2 composite thin films. The spectral properties of wavelength modulation type SPR sensor based on Ag thin films and Ag-TiO2 composite thin films are simulation researched by means of numerical calculation method. The results of the simulation show that the resonance absorbing peaks of wavelength modulation type SPR remarkably depend on Ag film thickness. When the thickness of the composite film is kept at a constant thickness of 60 nm,the resonant wavelength increases with increasing thickness of TiO2 thin films,red-shift occur; wavelength red-shift range can be up to over 200 nm for Ag-TiO2 composite films with a thickness of TiO2 film12 nm and Ag film 48 nm.

Key words:surface plasmon resonance(SPR); resonant wavelength; red-shift

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0016—02

收稿日期：2015—05—26

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474069,51374072,51101027)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題資助項(xiàng)目(2011ZX05020—006)；黑龍江省新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(1253—NCET—002)

中圖分類號(hào):TN 253； TP 212.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)03—0016—02

作者簡(jiǎn)介:

劉超(1978-)，男，黑龍江木蘭人，博士，教授，主要從事表面等離子體共振技術(shù)研究。