RU169687U1 - Plasmon-polariton two-resonance sensor - Google Patents
Plasmon-polariton two-resonance sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU169687U1 RU169687U1 RU2016133766U RU2016133766U RU169687U1 RU 169687 U1 RU169687 U1 RU 169687U1 RU 2016133766 U RU2016133766 U RU 2016133766U RU 2016133766 U RU2016133766 U RU 2016133766U RU 169687 U1 RU169687 U1 RU 169687U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- refractive index
- prism
- plasmon
- polariton
- gold
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области плазмонной сенсорики и может быть использована в качестве датчика для мониторинга изменений состояния газовых сред. Плазмон-поляритонный двухрезонансный датчик состоит из оптической призмы, на гипотенузную сторону которой последовательно нанесены промежуточный слой прозрачного диэлектрического материала и слой золота. При этом оптическая призма выполнена из материала с показателем преломления n ≥ 2, показатель преломления промежуточного слоя больше показателя преломления анализируемой газовой среды, но меньше показателя преломления призмы, а толщина золотой пленки составляет от 15 до 20 нм. Технический результат заключается в повышении чувствительности датчика.1 ил.The utility model relates to the field of plasmonic sensors and can be used as a sensor for monitoring changes in the state of gaseous media. A plasmon-polariton two-resonance sensor consists of an optical prism, on the hypotenous side of which an intermediate layer of transparent dielectric material and a gold layer are successively applied. The optical prism is made of a material with a refractive index n ≥ 2, the refractive index of the intermediate layer is greater than the refractive index of the analyzed gas medium, but less than the refractive index of the prism, and the thickness of the gold film is from 15 to 20 nm. The technical result consists in increasing the sensitivity of the sensor. 1 ill.
Description
Полезная модель относится к области плазмонной сенсорики, и в частности к разработке оптико-электронных устройств, работа которых основана на явлении возбуждения резонансных плазмон-поляритонных колебаний. Полезная модель может быть использована в качестве датчика для мониторинга изменений состояния газовых сред и может применяться в промышленном производстве, медицине, для мониторинга состояния экологии окружающей среды и т.д.The utility model relates to the field of plasmonic sensors, and in particular to the development of optoelectronic devices, the operation of which is based on the phenomenon of excitation of resonant plasmon-polariton oscillations. The utility model can be used as a sensor for monitoring changes in the state of gaseous media and can be used in industrial production, medicine, for monitoring the state of environmental ecology, etc.
Известно достаточно большое количество сенсорных систем, работа которых основана на явлении плазмон-поляритонного резонанса. Однако чувствительность и точность таких систем существенно зависит от параметров резонансного пика плазмон-поляритонного резонанса. В числе факторов влияющих на чувствительность и точность плазмон-поляритонных детекторов можно выделить: показатель добротности и ассиметричность резонансного пика, процесс деградации плазмонного покрытия, дрейф резонансного пика и т.д.A fairly large number of sensory systems are known whose operation is based on the phenomenon of plasmon-polariton resonance. However, the sensitivity and accuracy of such systems substantially depends on the parameters of the resonance peak of plasmon-polariton resonance. Among the factors affecting the sensitivity and accuracy of plasmon-polariton detectors are the following: Q-factor and asymmetry of the resonance peak, degradation of the plasmon coating, resonance peak drift, etc.
Известен плазмон-поляритонный фотодетектор для определения концентрации примесей этанола в газовых смесях (Патент UA №39869 МПК G01N 21/55, опубл. 10.03.2009, Бюл. №5, 2009 г.), который включает в себя источник р-поляризованного монохроматического излучения и оптически связанный с ним чувствительный элемент, который состоит из поверхностно-барьерной гетероструктуры полупроводник-золото с периодично-профилированной границей раздела в виде дифракционной решетки и нанесенной на слой золота селективно-чувствительной пленки.Known plasmon-polariton photodetector for determining the concentration of ethanol impurities in gas mixtures (Patent UA No. 39869 IPC G01N 21/55, publ. 10.03.2009, Bull. No. 5, 2009), which includes a source of p-polarized monochromatic radiation and an optically coupled sensing element, which consists of a surface-barrier semiconductor-gold heterostructure with a periodically profiled interface in the form of a diffraction grating and a selectively sensitive film deposited on the gold layer.
Общим с заявляемым решением признаком является использование в качестве детектирующего элемента плазмон-поляритонного резонанса, возбуждаемого р-поляризованным монохромным излучением.A common feature of the claimed solution is the use of a plasmon-polariton resonance excited by p-polarized monochrome radiation as a detecting element.
Недостатком технического решения является наличие одного резонансного пика. Вследствие этого чувствительность прибора существенно зависит от показателя добротности резонанса.The disadvantage of the technical solution is the presence of a single resonant peak. As a result of this, the sensitivity of the device substantially depends on the figure of merit of the resonance.
Известен детектор поверхностного плазмонного резонанса для химического и биохимического анализа (Патент UA №46512 МПК G01N 21/55, G01N 33/553, G01N 33/543, опубл. 15.05.2002, Бюл №5, 2002 г.), включающий в себя призму внутреннего отражения и нанесенный на поверхность призмы рабочий элемент толщиной 45-60 нм, который содержит в себе пленку золота и отличается тем, что рабочий элемент дополнительно имеет пленку серебра, расположенную между призмой и пленкой золота, при этом соотношение толщины пленки серебра к толщине пленки золота составляет 1:3,1.Known surface plasmon resonance detector for chemical and biochemical analysis (Patent UA No. 46512 IPC G01N 21/55, G01N 33/553, G01N 33/543, publ. 15.05.2002, Bull No. 5, 2002), including a prism internal reflection and a working element with a thickness of 45-60 nm applied to the surface of the prism, which contains a gold film and is characterized in that the working element additionally has a silver film located between the prism and the gold film, while the ratio of the thickness of the silver film to the thickness of the gold film is 1: 3.1.
Общими с заявляемым решением признаками являются использование схемы Кретчмана для возбуждения поверхностных плазмон-поляритонных волн, использование в качестве основного плазмонного элемента нанопленки золота.Common with the proposed solution signs are the use of the Kretchman scheme to excite surface plasmon-polariton waves, the use of gold nanofilms as the main plasmon element.
Недостатком технического решения является относительно низкая добротность резонансного пика и наличие одного пика плазмон-поляритонного резонанса, что приводит к низкой чувствительности прибора.The disadvantage of the technical solution is the relatively low quality factor of the resonance peak and the presence of one peak of plasmon-polariton resonance, which leads to low sensitivity of the device.
Известен детектор на основе поверхностного плазмонного резонанса для измерений показателя преломления жидкостей и использования при биохимических исследованиях (Патент UA №98265 МПК G01N 21/63, опубл. 27.04.2015, Бюл. №8, 2015 г.), включающий в себя стеклянную призму (чип) с нанесенным слоем золота, который отличается тем, что в него дополнительно введен покрывающий слой оксида ниобия, расположенный на пленке золота.A known detector based on surface plasmon resonance for measuring the refractive index of liquids and use in biochemical studies (Patent UA No. 988265 IPC G01N 21/63, publ. 04/27/2015, Bull. No. 8, 2015), including a glass prism ( chip) with a deposited layer of gold, which is characterized in that an additional coating layer of niobium oxide located on the gold film is additionally introduced therein.
Общими с заявляемым решением признаками являются использование схемы Кретчмана для возбуждения поверхностных плазмон-поляритонных волн, использование в качестве основного плазмонного элемента нанопленки золота.Common with the proposed solution signs are the use of the Kretchman scheme to excite surface plasmon-polariton waves, the use of gold nanofilms as the main plasmon element.
Недостатком технического решения является использование внешнего слоя из оксида ниобия с высоким показателем преломления, что не позволяет реализовать двухрезонансную схему. Подобная система содержит лишь один резонансный плазмон-поляритонный пик, то есть чувствительность и точность прибора определяются параметрами добротности и деградации резонансного пика.The disadvantage of the technical solution is the use of an outer layer of niobium oxide with a high refractive index, which does not allow to implement a two-resonance circuit. Such a system contains only one resonant plasmon-polariton peak, that is, the sensitivity and accuracy of the device are determined by the parameters of the quality factor and degradation of the resonance peak.
В качестве прототипа выбран детектор на эффекте поверхностного плазмонного резонанса (Патент UA №108682 МПК G01N 21/63, опубл. 25.05.2015, Бюл. №10, 2015 г.), содержащий стеклянную призму с нанесенным слоем золота толщиной 50 нм, который отличается тем, что в него дополнительно введен слой из оксида ниобия, расположенный между стеклянной призмой и слоем золота.A detector based on the effect of surface plasmon resonance (Patent UA No. 108682 IPC G01N 21/63, published May 25, 2015, Bull. No. 10, 2015) containing a glass prism with a 50 nm thick gold layer, which differs the fact that a layer of niobium oxide located between the glass prism and the gold layer is additionally introduced into it.
Недостатком технического решения является недостаточно высокая чувствительность датчика из-за наличия промежуточного слоя из оксида ниобия с высоким показателем преломления, что не позволяет реализовать двухрезонансную схему. Подобная система содержит лишь один резонансный плазмон-поляритонный пик, то есть чувствительность и точность прибора определяются параметрами добротности и деградации резонансного пика.The disadvantage of the technical solution is the insufficiently high sensitivity of the sensor due to the presence of an intermediate layer of niobium oxide with a high refractive index, which does not allow to implement a two-resonance circuit. Such a system contains only one resonant plasmon-polariton peak, that is, the sensitivity and accuracy of the device are determined by the parameters of the quality factor and degradation of the resonance peak.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение чувствительности датчика.The technical result of the claimed utility model is to increase the sensitivity of the sensor.
В основу полезной модели поставлена задача - разработать двухрезонансное плазмон-поляритонное устройство, которое позволит с высокой чувствительностью детектировать изменения состояния газовых сред посредством сравнения положений сенсорного и эталонного пиков на угловых рефлектометрических спектрах.The utility model is based on the task of developing a two-resonance plasmon-polariton device that will allow high-sensitivity detection of changes in the state of gaseous media by comparing the positions of the sensor and reference peaks in angular reflectometry spectra.
Плазмон-поляритонный двухрезонансный датчик содержит оптическую призму с нанесенным на ее гипотенузную сторону слоем золота и промежуточный диэлектрический слой между гранью призмы и слоем золота, при этом оптическая призма выполнена из материала с высоким показателем преломления n2≥2 (например, гадолиний-галлиевый гранат), тонкий промежуточный слой (h ~ 200-300 нм) выполнен из оптически прозрачного диэлектрического материала с показателем преломления n1, таким, что n2>n1>n0, где n0 - показатель преломления анализируемой газовой среды, n2 - показатель преломления материала призмы, а толщина пленки золота на поверхности диэлектрического промежуточного слоя равна 15-20 нм.A plasmon-polariton two-resonance sensor contains an optical prism with a gold layer deposited on its hypotenuse side and an intermediate dielectric layer between the prism face and the gold layer, while the optical prism is made of a material with a high refractive index n 2 ≥2 (for example, gadolinium-gallium garnet) a thin intermediate layer (h ~ 200-300 nm) made of an optically transparent dielectric material with a refractive index n 1 such that n 2> n 1> n 0, where n 0 - index of refraction of the analyzed gaseous medium, n 2 - n the refractive index of the prism material and the thickness of the gold film on the surface of a dielectric intermediate layer is 15-20 nm.
В устройстве используют двухрезонансную тонкопленочную систему, в которой положение одного резонансного пика на угловой спектральной зависимости является стабильным (эталонный пик), а второй пик меняет свое положение в зависимости от параметров детектируемой среды (сенсорный пик). Такая схема детектирования позволяет существенно повысить чувствительность датчика за счет сравнения положения эталонного и сенсорного пиков относительно друг друга.The device uses a two-resonance thin-film system in which the position of one resonant peak in the angular spectral dependence is stable (reference peak), and the second peak changes its position depending on the parameters of the detected medium (sensor peak). Such a detection scheme can significantly increase the sensitivity of the sensor by comparing the position of the reference and sensor peaks relative to each other.
Общими с заявляемым решением признаками являются наличие оптической призмы с нанесенным слоем золота в качестве основного плазмонного элемента и промежуточного слоя.Common with the proposed solution signs are the presence of an optical prism with a deposited layer of gold as the main plasmon element and the intermediate layer.
Отличительными признаками модели являются:Distinctive features of the model are:
использование призмы с высоким показателем преломления n2≥2;the use of a prism with a high refractive index n 2 ≥2;
нанесение на гипотенузную грань призмы тонкого промежуточного слоя (h ~ 200-300 нм) из оптически прозрачного диэлектрического материала с показателем преломления n1, таким, что n2>n1>n0,applying a thin intermediate layer (h ~ 200-300 nm) of an optically transparent dielectric material with a refractive index n 1 such that n 2 > n 1 > n 0 on the hypotenuse face of the prism
где n0 - показатель преломления анализируемой газовой среды;where n 0 is the refractive index of the analyzed gas medium;
n2 - показатель преломления материала призмы;n 2 is the refractive index of the prism material;
толщина нанесенной на гипотенузную грань призмы поверх промежуточного слоя тонкой пленки золота (Аu) – 15-20 нм.the thickness of a thin film of gold (Au) deposited on the hypotenuse face of the prism over the intermediate layer is 15–20 nm.
Использование промежуточного диэлектрического слоя между призмой и пленкой Аu с показателем преломления меньше чем у призмы, но больше чем у анализируемой газовой среды позволяет реализовать двухрезонансную схему детектирования.The use of an intermediate dielectric layer between the prism and the Au film with a refractive index less than that of the prism, but more than that of the analyzed gas medium allows the implementation of a two-resonance detection scheme.
Устройство представлено графически.The device is presented graphically.
На Фиг. 1 приведена схема реализации чувствительного элемента двухрезонансного плазмонного датчика, где: 1 - оптическая призма, 2 - волноводный слой, 3 - пленка золота.In FIG. 1 shows a diagram of the implementation of a sensitive element of a two-resonance plasmon sensor, where: 1 is an optical prism, 2 is a waveguide layer, 3 is a gold film.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
На гипотенузную грань оптической призмы 1 с показателем преломления n2≥2 (например гадолиний-галлиевый гранат) методом вакуумного осаждения напыляют тонкий диэлектрический промежуточный слой 2 (например, из стекла SiO2) с показателем преломления n1, таким, что n2>n1>n0 и толщиной h ~ 200-300 нм. Далее поверх тонкого промежуточного слоя методом вакуумного осаждения напыляют тонкую пленку золота (Аu) 3 толщиной 15-20 нм. В полученном таким образом сенсорном элементе возбуждаются поверхностные плазмон-поляритонные волны с использованием схемы Кретчмана. При этом во время падения р-поляризованного лазерного излучения под углом ϕ1 возникает условие резонанса по схеме Кретчмана (на границе раздела золото - газовая среда), а при падении под углом ϕ2 возникает условие резонанса по схеме Отто (на границе раздела золото - промежуточный диэлектрический слой). На угловых рефлектометрических спектрах эти резонансы выглядят в виде двух узких резонансных пиков. При этом положение пика резонанса, возбуждаемого по схеме Отто, определяется из соотношения показателей преломления призмы и промежуточного слоя и поэтому не меняется (эталонный пик), а положение пика резонанса, возбуждаемого по схеме Кретчмана, определяется из соотношения показателей преломления промежуточного слоя и газовой среды и, следовательно, зависит от изменения состояния газовой среды (сенсорный пик). Таким образом, сравнивая положения эталонного и сенсорного пика можно с высокой чувствительностью определять изменения состояния газовой среды.A thin dielectric intermediate layer 2 (for example, from SiO 2 glass) with a refractive index n 1 such that n 2 > n is sprayed onto the hypotenuse face of
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016133766U RU169687U1 (en) | 2016-08-17 | 2016-08-17 | Plasmon-polariton two-resonance sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016133766U RU169687U1 (en) | 2016-08-17 | 2016-08-17 | Plasmon-polariton two-resonance sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU169687U1 true RU169687U1 (en) | 2017-03-28 |
Family
ID=58506257
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016133766U RU169687U1 (en) | 2016-08-17 | 2016-08-17 | Plasmon-polariton two-resonance sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU169687U1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU218503U1 (en) * | 2022-11-25 | 2023-05-29 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского" | Plasmon polariton sensor |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2141645C1 (en) * | 1997-06-11 | 1999-11-20 | Никитин Петр Иванович | Method and device for examination of biological, biochemical and chemical characteristics of media |
US20060197952A1 (en) * | 2003-01-23 | 2006-09-07 | Shean-Jen Chen | Surface plasmon resonance sensor with high sensitivity |
RU2356033C2 (en) * | 2003-10-16 | 2009-05-20 | НАРД Инститьют, Лтд. | Method of measuring surface plasmon resonance (versions) noble metal compound used for this method |
KR100927378B1 (en) * | 2008-11-13 | 2009-11-19 | 지에스건설 주식회사 | Gas sensor chip with thick sensing layer, and manufacturing method thereof |
US7671995B2 (en) * | 2007-12-25 | 2010-03-02 | National Taiwan University | Method for improving surface plasmon resonance by using conducting metal oxide as adhesive layer |
RU2500993C1 (en) * | 2012-05-25 | 2013-12-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет) | Spectrometer based on surface plasmon resonance |
US8711356B2 (en) * | 2010-02-25 | 2014-04-29 | Stichting Imec Nederland | Gas sensor with a porous layer that detectably affects a surface lattice resonant condition of a nanoparticle array |
-
2016
- 2016-08-17 RU RU2016133766U patent/RU169687U1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2141645C1 (en) * | 1997-06-11 | 1999-11-20 | Никитин Петр Иванович | Method and device for examination of biological, biochemical and chemical characteristics of media |
US20060197952A1 (en) * | 2003-01-23 | 2006-09-07 | Shean-Jen Chen | Surface plasmon resonance sensor with high sensitivity |
RU2356033C2 (en) * | 2003-10-16 | 2009-05-20 | НАРД Инститьют, Лтд. | Method of measuring surface plasmon resonance (versions) noble metal compound used for this method |
US7671995B2 (en) * | 2007-12-25 | 2010-03-02 | National Taiwan University | Method for improving surface plasmon resonance by using conducting metal oxide as adhesive layer |
KR100927378B1 (en) * | 2008-11-13 | 2009-11-19 | 지에스건설 주식회사 | Gas sensor chip with thick sensing layer, and manufacturing method thereof |
US8711356B2 (en) * | 2010-02-25 | 2014-04-29 | Stichting Imec Nederland | Gas sensor with a porous layer that detectably affects a surface lattice resonant condition of a nanoparticle array |
RU2500993C1 (en) * | 2012-05-25 | 2013-12-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет) | Spectrometer based on surface plasmon resonance |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU218503U1 (en) * | 2022-11-25 | 2023-05-29 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского" | Plasmon polariton sensor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5955378A (en) | Near normal incidence optical assaying method and system having wavelength and angle sensitivity | |
US9285534B2 (en) | Fiber-optic surface plasmon resonance sensor and sensing method using the same | |
US7778499B2 (en) | Silicon photonic wire waveguide biosensor | |
KR101029473B1 (en) | Surface plasmon resonance sensor using beam profile ellipsometry | |
WO2012111001A2 (en) | Optical sensor with enhanced sensitivity | |
EP0939897A1 (en) | A chemical sensor | |
CN109100331A (en) | A kind of metallic hole array phasmon fibre optical sensor of regular hexagon lattice structure | |
US20140354993A1 (en) | Localized surface plasmon resonance sensing system with anisotropic particles | |
CN1945246A (en) | Thin film type optical fiber temperature sensor and its temperature sensing method | |
US9678009B2 (en) | Method for localized surface plasmon resonance sensing system | |
JP2003344273A (en) | Apparatus for measuring surface plasmon resonance and fluorescence polarization | |
Chiu et al. | Searching for optimal sensitivity of single-mode D-type optical fiber sensor in the phase measurement | |
RU169687U1 (en) | Plasmon-polariton two-resonance sensor | |
CN103674892B (en) | A kind of method carrying out monitoring film growth based on total internal reflection polarization phasic difference measurement | |
KR20160028564A (en) | Plasmonic sensor with multilayer thin film and nano-structures | |
Tsai et al. | Fiber-optic surface plasmon resonance-based sensor with AZO/Au bilayered sensing layer | |
CN101620063B (en) | Series distributed prism SPR sensor system | |
Mehan et al. | Surface plasmon resonance based refractive index sensor for liquids | |
JP3702340B2 (en) | Refractive index measurement method | |
Kusko | Design of low cost surface plasmon resonance sensor | |
Pereira et al. | Improved data extraction algorithm for biosensors utilizing surface plasmon resonance sensing | |
KR20130110900A (en) | Multilayer thin film sensor using surface plasmon resonance | |
Fallauto et al. | Differential surface plasmon resonance sensor for the detection of chemicals and biochemicals | |
KR100870131B1 (en) | Apparatus and method for simultaneous measurement of critical and surface plasmon resonance angle | |
González-Cano et al. | DL-UWTs: novel devices for chemical and biological sensing |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20190818 |