표면 플라즈몬과 광결정 공진기의 하이브리드화

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21292(2022) 이 기사 인용

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본 논문에서는 하이브리드 플라즈몬-광결정(P-PhC)을 기반으로 한 광학 굴절률(RI) 센서를 설계했습니다. 센서 구조에는 막대형 광결정(PhC) 구조에 일부 금속 막대가 내장되어 있습니다. 수치 시뮬레이션은 FDTD(유한차분 시간 영역) 방법을 기반으로 수행됩니다. 얻은 결과는 금속 막대에 의해 유도된 국소 표면 플라즈몬(LSP)이 PhC 격자에서 여기되어 하이브리드 P-PhC 모드를 생성할 수 있음을 보여줍니다. 결과에 따르면 하이브리드 모드는 독특한 기회를 제공합니다. 도파관과 공진 공동 사이의 결합 영역에 금속 막대를 사용하면 광학장과 공동 내부 분석물의 상호 작용이 크게 증가합니다. 시뮬레이션 결과는 제안된 하이브리드 P-PhC 센서에 대해 1672 nm/RIU의 높은 감도와 2388 RIU-1의 우수한 성능 지수(FoM)를 얻을 수 있음을 보여줍니다. 이 값은 문헌에 보고된 순수 플라즈몬 및/또는 순수 PhC 센서와 비교하여 가장 높습니다. 제안된 센서는 감도와 FoM 값을 동시에 향상시킬 수 있습니다. 따라서 제안된 하이브리드 P-PhC RI 센서는 광통신 파장에서 고감도 및 고해상도 감지 응용 분야에 더 매력적인 후보입니다.

최근 몇 년 동안 감지 및 감지 응용 분야에 대한 수요 증가로 인해 광학 굴절률(RI) 센서가 광범위하게 연구되었습니다. RI 기반 센서의 감지 성능을 평가하는 주요 매개 변수는 감도와 성능 지수(FoM)4,5,6입니다. 광학 RI 기반 센서는 분석물질의 작은 RI 버전에 민감합니다. 플라즈몬 센서에서는 소멸 장과 분석물7의 상호 작용에서 발생합니다. 완벽한 RI 기반 센서는 작은 RI 버전에 매우 민감해야 할 뿐만 아니라 큰 FoM을 가져야 합니다. 이와 관련하여 플라즈몬8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 및 광결정(PhC)20,21,22,23,24,25,26,27,28 구조는 가장 유망한 감지 능력을 제시했습니다. 그럼에도 불구하고 최고의 감지 성능을 달성하기 위해서는 몇 가지 과제가 있습니다. 플라즈몬 기반 RI 센서는 금속-유전체 인터페이스에서 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)과 국소 표면 플라즈몬(LSP)을 여기시켜 빛-물질 상호 작용을 강조합니다. 이러한 구조는 하위 파장 규모 내에서 빛을 조작합니다. 그러나 플라즈모닉 기반 RI 센서에 금속이 존재하면 저항 손실이 크고 제조 비용이 높아집니다. 따라서 플라즈몬 센서는 일반적으로 더 나은 감도를 갖는 경향이 있습니다. 그럼에도 불구하고 손실이 높기 때문에 FoM이 감소했습니다. 대조적으로, PhC 기반 RI 센서는 손실이 더 낮은 경향이 있으며 더 높은 FoM을 제공할 수 있습니다. 그러나 PhC 센서는 일반적으로 분석 물질과 작은 필드 중첩을 나타내므로 플라즈몬 센서에 비해 감도가 낮습니다. PhC 센서 구조에서는 실제 제조 공정에서 발생하는 편차로 인해 안정성이 조사됩니다.

언급된 특성으로 인해 향상된 감도와 더 큰 FoM을 획득하는 매력적이고 진보적인 기술 중 하나는 플라즈몬 구성 요소와 PhC 구조를 결합하여 고급 하이브리드 플라즈몬-광자 결정(P-PhC) 센서를 만드는 것입니다. 47,48,49. 이러한 하이브리드 센서 구조에서 금속 경계면의 표면파 특성은 감도를 향상시키고 광결정 격자의 무손실 특성은 FoM50,51,52을 향상시킵니다. 따라서 두 기능을 결합하면 뛰어난 감지 성능을 제공할 수 있습니다5,53. 최근 몇 년 동안 금속 필름이나 금속 나노 구조와 같은 플라즈몬 구성 요소와 PhC 구조의 조합이 탐구되고 실험되었습니다54,55,56. 하이브리드 P-PhC 센서는 개별 플라즈몬 및 PhC 센서보다 성능이 뛰어납니다. 또한, 플라즈몬 및 PhC 구조의 전자기장의 특성은 본질적으로 많은 측면에서 보완적입니다. 결국 이러한 하이브리드화를 통해 전반적인 성능이 향상됩니다. 하이브리드 센서는 플라즈몬 구성 요소의 강력한 광물질 상호 작용과 PhC57,58,59의 낮은 손실을 동시에 사용하여 플라즈몬 및 PhC 기반 센서의 기능을 확장할 수 있습니다. 또한 순수 플라즈몬 센서에 비해 하이브리드 PhC-P 센서에는 훨씬 적은 양의 금속 재료가 사용되어 전파 손실과 제조 비용이 절감됩니다5,60.