Магнитоплазмонный сенсор

Техническое решение относится к области приборостроения и может быть использовано при создании сенсоров (датчиков) технического и медико-биологического применения.
Известен сенсор на основе магнитооптического (МО) поверхностного плазмонного резонанса (ППР) [Jun Qin, Longjiang Deng, Jianliang Xie, Tingting Tang, and Lei Bi / Highly sensitive sensors based on magneto-optical surface plasmon resonance in Ag/CeYIG heterostructures // AIP Advances 5, 017118 (2015)], выбранный в качестве аналога. Работа сенсора основана на изменении условий резонанса поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) под воздействием вариаций параметров окружающей среды, а именно изменения показателя преломления.
1
2
5
12
4
В состав сенсора входят стеклянная призма для ввода излучения, металлическая пленка из серебра и тонкая диэлектрическая магнитооптическая пленка состава CeYFeO (CeYIG). ППР возникает на интерфейсе Ag/CeYIG. Выбор комбинации из этих двух материалов в составе сенсора обусловлен тем, что CeYIG обладает высокими значениями удельного фарадеевского вращения (2⋅10 °/см на длине волны 1,0 мкм) и показателя преломления (n=2,3 на длине волны 1,1 мкм), а серебро в видимой и ближней ИК области длин волн обладает низкими оптическими потерями (диэлектрическая проницаемость серебра ε=-62.485+4.331i). Для регистрации изменения положения резонансной длины волны в структуре Ag/CeYIG в зависимости от изменения показателя преломления окружающей среды авторы предлагают использовать поперечный магнитооптический эффект Керра (Transversal Magneto-Optical Kerr Effect - TMOKE). Численные расчеты показали, что наибольшая чувствительность структуры Ag/CeYIG к изменению показателя преломления может быть достигнута на длине волны падающего излучения 1160 нм при толщине слоя CeYIG 25 нм.
Недостатками устройства на основе такого сенсора является относительно невысокая чувствительность, обусловленная считыванием сигнала вне условий оптического резонанса.
2
5
2
2
5
Известен ППР-сенсор на основе магнитофотонной плазмонной гетероструктуры [Enhancement of SPR-sensor sensitivity in magnetophotonic plasmonic heterostructures / D.O. Ignatyeva, S.K. Sekatskii, A.N. Kalish and V.I. Belotelov. // Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS), Prague, 2015, July 6-9: proceedings. - 2015. - P. 2296-2300], выбранный в качестве прототипа. Гетероструктура содержит призму, одномерный фотонный кристалл (ФК), состоящий из 16 пар слоев TaO и SiO, слой TaO, играющий в структуре роль дефекта, пленку кобальта и нанесенную на нее пленку золота, с которой контачит анализируемая среда (газы или жидкости). В этом сенсоре призма используется для ввода излучения и возбуждения ППР, считывание осуществляется с помощью регистрации сигнала ТМОКЕ, однако, в отличие от структуры, описанной в аналоге, использование одномерного ФК обеспечивает усиление МО эффектов в условиях ППР за счет возбуждения т.н. длиннопробежных плазмонов (long-range surface plasmon-polariton - LRSPP), что повышает чувствительность данного сенсора по сравнению с предложенным в аналоге.
Недостатком такого сенсора является использование в качестве МО слоя пленки ферромагнитного металла, обладающего высокими оптическими потерями, что снижает оптическую добротность структуры и ведет к снижению чувствительности.
Задачей полезной модели является разработка структуры магнитоплазмонного сенсора (МПС), обеспечивающего повышенные значения коэффициента усиления МО эффекта, оптической и магнитооптической добротности и, следовательно, чувствительности сенсора за счет возбуждения и наложения в структуре резонансов различной природы, а именно резонанса Фабри-Перо и резонанса на оптических Таммовских состояниях (ОТС) в условиях распространения в структуре LRSPP.
Сущность технического решения характеризуется тем, что МПС, содержащий диэлектрическое зеркало Брэгга, нанесенное на подложку из плавленого кварца и состоящее из N пар чередующихся диэлектрических слоев с большим и малым показателями преломления, буферный слой с малым показателем преломления с нанесенным на него зеркалом, выполненным в виде металлической пленки, призму для ввода излучения со стороны подложки, дополнительно содержит двухслойную пленку висмутсодержащего железо-иттриевого граната толщиной, кратной половине длины волны зондирующего излучения, и буферный слой из диэлектрика с малым показателем преломления, расположенные между диэлектрическим зеркалом Брэгга и зеркалом, выполненным в виде пленки из серебра толщиной от 10 до 100 нм. Пленка из серебра в качестве зеркала использована потому, что серебро обладает малыми оптическими потерями, высокими значениями электропроводности и коэффициента отражения и, как следствие, имеет наибольшие длины распространения плазмонных волн. Наноразмерные пленки серебра позволяют получать самые узкие линии плазмонного резонанса, поэтому их использование при создании плазмонных устройств является предпочтительным.
Магнитоплазмонный сенсор обеспечивает повышенные значения коэффициента усиления МО эффекта, оптической и магнитооптической добротности и, следовательно, чувствительности сенсора.
Общими признаками заявляемого устройства и прототипа являются наличие диэлектрического зеркала Брэгга (одномерного ФК), нанесенного на подложку из плавленого кварца и состоящего из N пар чередующихся диэлектрических слоев с большим и малым показателями преломления, и зеркала, выполненного в виде металлической пленки.
2,8
0,2
5
12
F
-1
4
Отличительными признаками технического решения является наличие диэлектрической двухслойной пленки висмутсодержащего железо-иттриевого граната и буферного слоя из диэлектрика с малым показателем преломления, расположенных между диэлектрическим зеркалом Брэгга и зеркалом, выполненным в виде пленки из серебра. Диэлектрическая пленка висмутсодержащего железо-иттриевого граната обладает высокими значениями показателя преломления, коэффициента пропускания и удельного фарадеевского вращения в видимой и ближней ИК областях оптического спектра, что обеспечит, соответственно, высокие значения магнитооптической добротности, а следовательно, и чувствительности заявляемого МПС по сравнению с прототипом. Например, для пленки висмутсодержащего феррита-граната иттрия состава BiYFeO на длине волны 1 мкм показатель преломления n=2,51, коэффициент поглощения α=1600 см, удельное фарадеевское вращение Θ=2⋅10 °/см.
Совокупность признаков обеспечивает повышение коэффициента усиления МПС на резонансной длине волны по сравнению с прототипом при измерении TMOKE и, соответственно, чувствительности МПС, благодаря использованию в качестве МО слоя двухслойной пленки висмутсодержащего железо-иттриевого граната, обеспечивающей более высокие значения магнитооптической добротности в условиях возникновения и наложения резонанса Фабри-Перо в микрорезонаторном магнитофотонном кристалле, образованном зеркалом Брэгга и зеркалом из серебра, и резонанса на ОТС, существующих на интерфейсе между буферным слоем и пленкой серебра. Кроме того, в МПС реализованы условия для распространения LRSPP, что также способствует увеличению чувствительности МПС.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение заявляемого магнитоплазмонного сенсора.
R
B
2
H
2
R
2
2
Магнитоплазмонный сенсор (фиг. 1) изготовлен на кварцевой подложке 1 и содержит диэлектрическое зеркало Брэгга 2, выполненное из N пар чередующихся четвертьволновых (λ/4) слоев с высоким n (TiO) 3 и низким n (SiO) 4 показателями преломления, и зеркало 5 толщиной h, выполненное в виде пленки из серебра. Здесь λ - длина волны, соответствующая середине фотонной запрещенной зоны зеркала Брэгга. Между зеркалами размещена двухслойная пленка висмутсодержащего железо-иттриевого граната, состоящая из слоя M1 с низким содержанием висмута 6 и слоя М2 с высоким содержанием висмута 7. Слой 8 - буферный слой из SiO, 9 - анализируемый материал, 10 - призма, служащая для ввода излучения в МПС. Параметры ФК, буферного слоя из SiO и зеркала из серебра рассчитаны таким образом, что структура поддерживает LRSPP.
R
R
R
МПС работает следующим образом. К структуре прикладывается внешнее магнитное поле H, направленное вдоль плоскости МО слоев M1 и М2 перпендикулярно плоскости падающего излучения, т.е. в геометрии ТМОКЕ. На МПС через призму под фиксированным углом направляется коллимированный поток линейно поляризованного излучения оптического диапазона с длиной волны λ. В структуре между зеркалом Брэгга и пленкой золота на длине волны λ возникает резонанс Фабри-Перо, а на интерфейсе буферный слой-пленка золота - резонанс на ОТС. Кроме того, структура поддерживает длиннопробежные плазмоны LRSPP. Параметры ПМС рассчитаны таким образом, что указанные резонансы налагаются на длине волны λ, что обеспечивает более значительное повышение коэффициента усиления МО эффекта по сравнению с прототипом. За счет LRSPP также происходит усиление МО эффекта. Кроме того, малые потери в МО слоях ферритов-гранатов заявляемого МПС по сравнению с ферромагнитными металлами сенсора-прототипа приводят к увеличению добротности структуры и увеличению МО отклика. Таким образом, вариации показателя преломления анализируемого материала будут приводить к более значительному росту сигнала ТМОКЕ, в сравнении с прототипом.
В магнитоплазмонном сенсоре в качестве МО пленок используются двухслойные пленки висмутсодержащего железо-иттриевого граната. Применение двухслойных пленок (подслоя с низким содержанием висмута ~1 атом на формульную единицу – ат./ф.е. - и основного слоя с содержанием висмута до 3 ат./ф.е.) при нанесении на негранатовые слои-подложки позволяет достигать высоких значений МО эффекта и добротности [Microcavity One-Dimensional Magnetophotonic Crystals with Double Layer Iron Garnet / V.N. Berzhansky, Т.V. Mikhailova, A.V. Karavainikov, A.R. Prokopov, A.N. Shaposhnikov, I.N. Lukienko, Yu.N. Kharchenko, О.V. Miloslavskaya, N.F. Kharchenko // J. Magn. Soc. Jpn. - 2012. - Vol. 36, No 1_2. - P. 42].
R
При моделировании структуры заявляемого МПС были определены параметры слоев зеркала Брэгга, слоев с низким (M1) и высоким (М2) содержанием висмута, а также зеркала, выполненного в виде пленки из серебра, при которых структура поддерживает LRSPP и на λ реализуются резонанс Фабри-Перо и резонанс на ОТС. Параметры определены численным решением уравнений Максвелла методом матриц переноса 4×4 [Theoretical analysis of optical and magneto-optical properties of one-dimensional magnetophotonic crystals, H. Kato, T. Matsushita, A. Takayama, M. Egawa, K. Nishimura, M. Inoue J. Appl. Phys., Vol. 93, No. 7, 1, 3906, 2003] с учетом условий распространения LRSPP [Konopsky, V.N., \Plasmon-polariton waves in nanofilms on one-dimensional photonic crystal surfaces, New J. of Phys., Vol. 12, No. 9, 093006, 2010.]. При расчетах параметров МПС использовались результаты, полученные ранее при расчете структур плазмонного сенсора [патент RU №158802, опубл. 20.01.2016 г., бюл. №2].
Эффективность структуры определена с помощью параметра МО добротности:
F
Q=2⋅|Θ|/α [°],
F
где Θ - удельное фарадеевское вращение;
- коэффициент поглощения;
t
K - коэффициент пропускания;
M
h - суммарная толщина магнитооптических слоев.
В расчете использованы следующие параметры слоев:
2
R
R
2
2
N
TiO: диэлектрическая проницаемость 5,354; показатель преломления 2,314, оптическая толщина (λ/4), λ - середина фотонной запрещенной зоны фотонного кристалла (TiO/SiO).
2
R
SiO: диэлектрическая проницаемость 2,123; показатель преломления 1,457, оптическая толщина (λ/4).
1,0
0,5
1,5
4,2
0,8
12
xx
xy
-3
-3
M1: состав BiYGdFeAlO, диэлектрическая проницаемость - диагональная компонента ε=6,843+0,094*i, недиагональная компонента ε=8,224*10-1,864*10*i; показатель преломления 2,616.
2,8
0,2
5
12
xx
xy
-3
М2: состав BiYFeO, диэлектрическая проницаемость - диагональная компонента ε=8,72+0,112*i, недиагональная компонента ε=0,055-9,971*10*i; показатель преломления 2,852.
Ag
Зеркало из Ag: толщина слоя h изменялась в диапазоне от 10 до 100 нм, диэлектрическая проницаемость ε=-62.485+4.331i; показатель преломления 0,18, коэффициент экстинкции 3,64.
R
R
Ag
2
5
2
2
2
3
N
N
Согласно расчетам, оптимальные значения оптической толщины слоев M1 и М2 составили λ/4 и 3λ/4 соответственно. Для N=2-7 оптимальные толщины зеркала, выполненного в виде пленки из серебра, составляют h=20-50 нм. Аналогичным образом могут быть рассчитаны структуры МПС, в которых в качестве фотонного кристалла использованы структуры (TaO/SiO) или (TiO/AlO).
Примеры конкретного исполнения заявляемого ПМС представлены ниже.
1,0
0,5
1,5
4,2
0,8
12
2,5
0,5
4,2
0,8
12
2
B
2
H
Ag
Пример 1. Нижний слой M1 висмутзамещенного железо-иттриевого граната, наносимый и кристаллизуемый на слое диэлектрического зеркала с низким показателем преломления, имеет состав BiYGdFeAlO. Верхний слой М2, наносимый и кристаллизуемый на слое M1, имеет состав BiGdFeAlO. В качестве слоев зеркала Брэгга с высоким и низким показателями преломления использованы, соответственно, слои TiO (n=2,3) и SiO (n=1,45). Количество пар зеркал N=7. В качестве металлического зеркала используется пленка толщиной h=20 нм, выполненная из серебра.
1,0
2,0
5,0
12
2,8
0,2
5,0
12
2
B
2
3
H
Ag
Пример 2. Нижний слой M1 висмутзамещенного железо-иттриевого граната, наносимый и кристаллизуемый на слое диэлектрического зеркала с низким показателем преломления, имеет состав BiYFeO. Верхний слой М2, наносимый и кристаллизуемый на слое M1, имеет состав BiYFeO. В качестве слоев зеркала Брэгга с высоким и низким показателями преломления использованы, соответственно, слои TiO (n=2,3) и AlO (n=1,6). Количество пар зеркал N=7. В качестве металлического зеркала используется пленка толщиной h=40 нм, выполненная из серебра.
0,7
2,3
5,0
12
2,3
0,7
4,2
0,8
12
2
B
2
3
H
Ag
Пример 3. Нижний слой M1 висмутзамещенного железо-иттриевого граната, наносимый и кристаллизуемый на слое диэлектрического зеркала с низким показателем преломления, имеет состав BiYFeO. Верхний слой М2, наносимый и кристаллизуемый на слое Ml, имеет состав BiDyFeGaO. В качестве слоев зеркала Брэгга с высоким и низким показателями преломления использованы, соответственно, слои TiO (n=2,3) и AlO (n=1,6). Количество пар зеркал N=7. В качестве металлического зеркала используется пленка толщиной h=50 нм, выполненная из серебра.
Ag
При выполнении зеркала из серебра толщиной h менее 10 нм пленка имеет островковую структуру, что ведет к снижению коэффициента отражения и снижению сигнала ТМОКЕ.
Ag
При выполнении зеркала из серебра толщиной h более 100 нм чувствительность сенсора к изменению показателя преломления окружающей среды значительно уменьшается.
Расчеты показывают, что магнитоплазмонный сенсор характеризуется магнитооптической добротностью и чувствительностью к изменению показателя преломления анализируемого материала в несколько раз выше, чем в прототипе.
Преимуществом предлагаемого магнитоплазмонного сенсора является более высокие значения магнитооптической добротности и чувствительности к изменению показателя преломления анализируемого материала по сравнению с прототипом.