Оценка резонансных характеристик однослойных плазмонных сенсоров в жидких средах аппроксимацией Фано в видимом и инфракрасном диапазонах

Нестеренко Д.В.1,2, Павелкин Р.А.2, Хаяши Ш.3,4

1 ИСОИ РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН, 443001, Россия, Самарская область, Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151,

2 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва, 443086, Россия, Самарская область, Самара, Московское шоссе, д. 34,

3 Университет г. Кобе, Кобе 657-8501, Япония,

4 Марокканская организация для науки, инноваций и исследований (MAScIR), Рабат 10100, Марокко

Аннотация:
В работе рассматриваются слоистые сенсорные структуры, поддерживающие возбуждение мод поверхностных плазмон-поляритонов в задачах детекции изменений в средах таких растворителей, как вода, этанол, изопропанол. В рассматриваемых структурах моды плазмон-поляритонов распространяются вдоль границ раздела сред металл / растворитель. Анализ характеристик резонансного отклика мод плазмон-поляритонов проводится на основе аппроксимации Фано в рамках теории связанных мод в видимом и инфракрасном диапазонах. В случае использования этанола и изопропанола как детектируемых сред выявлены области достижения максимальной чувствительности и усиления поля в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, что открывает возможности применения плазмонных структур в сенсорике вне областей поглощения воды.

Ключевые слова:
нанофотоника, плазмоника, мода поверхностного плазмон-поляритона, слоистые структуры, резонанс Фано, сенсорика

Цитирование:
Нестеренко, Д.В. Оценка резонансных характеристик однослойных плазмонных сенсоров в жидких средах аппроксимацией Фано в видимом и инфракрасном диапазонах / Д.В. Нестеренко, Р.А. Павелкин, Ш. Хаяши // Компьютерная оптика. – 2019. – Т. 43, № 4. – С. 596-604. – DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-4-596-604.

Литература:

  1. Raether, H. Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings / H. Raether. – Berlin, New York: Springer-Verlag, 1988.
  2. Homola, J. Present and future of surface plasmon resonance biosensors / J. Homola // Analytical and Bioanalytical Chemistry. ‒ 2003. ‒ Vol. 377, Issue 3. ‒ P. 528-539.
  3. Nenninger, G.G. Data analysis for optical sensors based on spectroscopy of surface plasmons / G.G. Nenninger, M. Piliarik, J. Homola // Measurement Science and Technology. ‒ 2002. ‒ Vol. 13. ‒ P. 2038-2046.
  4. Chen, Y. Review of surface plasmon resonance and localized surface plasmon resonance sensor / Y. Chen, H. Ming // Photonic Sensors. ‒ 2012. ‒ Vol. 2, Issue 1. ‒ P. 37-49.
  5. Homola, J. Surface plasmon resonance based sensors / J. Homola, J. Dostálek. – Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 2006. ‒ 251 p.
  6. Agranovich, V.M. Surface polaritons: electromagnetic waves at surfaces and interfaces / V.M. Agranovich, D.L. Mills. – Amsterdam, New York: North-Holland Publishing Company, 1982. – 717 p.
  7. Adato, R. In-situ ultra-sensitive infrared absorption spectroscopy of biomolecule interactions in real time with plasmonic nanoantennas / R. Adato, H. Altug // Nature Communications. ‒ 2013. ‒ Vol. 4. ‒ 2154.
  8. Herminjard, S. Surface plasmon resonance sensor showing enhanced sensitivity for CO2 detection in the mid-infrared range / S. Herminjard, L. Sirigu, H.P. Herzig, E. Studemann, A. Crottini, J.P. Pellaux, T. Gresch, M. Fischer, J. Faist // Optics Express. ‒ 2009. ‒ Vol. 17, Issue 1. ‒ P. 293-303.
  9. Neubrech, F. Plasmonic enhancement of vibrational excitations in the infrared / F. Neubrech, A. Pucci // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. ‒ 2013. ‒ Vol. 19, Issue 3. – 4600809.
  10. Sondergaard, T. Surface-plasmon polariton resonances in triangular-groove metal gratings / T. Sondergaard, S.I. Bozhevolnyi // Physical Review B. ‒ 2009. ‒ Vol. 80, Issue 19. – 195407.
  11. Otto, A. Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection / A. Otto // Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei. ‒ 1968. ‒ Vol. 216, Issue 4. ‒ P. 398-410.
  12. Kretschmann, E. Notizen: Radiative decay of nonradiative surface plasmons excited by light / E. Kretschmann, H. Raether // Zeitschrift für Naturforschung A. ‒ 1968. ‒ Vol. 23. ‒ P. 2135-2136.
  13. Katsidis, C.C. General transfer-matrix method for optical multilayer systems with coherent, partially coherent, and incoherent interference / C.C. Katsidis, D.I. Siapkas // Applied Optics. ‒ 2002. ‒ Vol. 41, Issue 19. ‒ P. 3978-3987.
  14. Nesterenko, D.V. Resolution estimation of the Au, Ag, Cu, and Al single- and double-layer surface plasmon sensors in the ultraviolet, visible, and infrared regions / D.V. Nesterenko, Z. Sekkat // Plasmonics. ‒ 2013. ‒ Vol. 8, Issue 4. ‒ P. 1585-1595. – DOI: 10.1007/s11468-013-9575-1.
  15. Nesterenko, D.V. Asymmetric surface plasmon resonances revisited as Fano resonances / D.V. Nesterenko, S. Hayashi, Z. Sekkat // Physical Review B. ‒ 2018. ‒ Vol. 97, Issue 23. ‒ 235437. – DOI: 10.1103/PhysRevB.97.235437.
  16. Physical acoustics: Principles and methods / W.P. Mason, R.N. Thurston. – Vol. 6. – New York: Academic Press, 1970. – 386 p.
  17. Gallinet, B. Ab initio theory of Fano resonances in plasmonic nanostructures and metamaterials / B. Gallinet, O.J.F. Martin // Physical Review B. ‒ 2011. ‒ Vol. 83, Issue 23. ‒ 235427.
  18. Homola, J. Surface plasmon resonance sensors for detection of chemical and biological species / J. Homola // Chemical Reviews. ‒ 2008. ‒ Vol. 108, Issue 2. ‒ P. 462-493.
  19. Querry, M.R. Optical constants of minerals and other materials from the millimeter to the ultraviolet / M.R. Querry. – Aberdeen Proving Ground, Md.: US Army Armament, Munitions & Chemical Research, Development & Engineering Center, 1987.
  20. Palik, E.D. Handbook of optical constants of solids / E.D. Palik. – Orlando: Academic Press, 1984.
  21. Rakić, A.D. Algorithm for the determination of intrinsic optical-constants of metal-films: application to aluminum / A.D. Rakić // Applied Optics. ‒ 1995. ‒ Vol. 34, Issue 22. ‒ P. 4755-4767.
  22. Segelstein, D.J. The complex refractive index of water: M.S. thesis / D.J. Segelstein. – Kansas City: Department of Physics, University of Missouri, 1981. ‒ 166 p.
  23. Sani, E. Spectral optical constants of ethanol and isopropanol from ultraviolet to far infrared / E. Sani, A. Dell'Oro // Optical Materials. ‒ 2016. ‒ Vol. 60. ‒ P. 137-141.

     


© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20