Ag-TiO2薄膜表面等离子体共振光谱特性研究*

刘　超， 汪发美, 吕靖薇, 顾雪平， 杨　琳, 牟海维

(东北石油大学 电子科学学院, 黑龙江 大庆 163318)



Ag-TiO2薄膜表面等离子体共振光谱特性研究*

刘超， 汪发美, 吕靖薇, 顾雪平， 杨琳, 牟海维

(东北石油大学 电子科学学院, 黑龙江 大庆 163318)

摘要:以拓宽Ag膜波长调制型表面等离子体共振(SPR)传感器的工作波长区间, 将TiO2膜沉积于Ag膜表面制成Ag-TiO2复合薄膜。利用数值计算方法对不同厚度Ag膜和Ag-TiO2复合膜波长调制型SPR光谱特性进行仿真研究。仿真结果表明:共振吸收峰显著依赖于Ag膜厚度；当保持Ag-TiO2复合膜厚度60 nm时，复合薄膜SPR波长随TiO2厚度的增大而向长波长方向移动，发现红移; 与60 nm厚Ag膜共振波长相比，12 nm厚TiO2与48 nm厚Ag组成的复合膜共振波长红移超过200 nm。

关键词:表面等离子体共振； 共振波长； 红移

0引言

表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR) 是光与金属表面电子疏密波相互作用所产生的一种奇特光学现象。因其对外界介质折射率的微小变化极其敏感且易于微型化的优点，在生物医学、环境污染、食品安全等方面展现出巨大应用潜力，受到国际传感技术与纳米光子学领域科研人员的密切关注[1～4]。目前，SPR传感结构主要有角度调制型[5]、波长调制型[6]和相位调制型[7]三类。绝大多数SPR传感器均采用金属薄膜(如Au,Ag等)作为表面等离子体波的激发载体。其中，由于基于Ag薄膜的SPR具有更高的灵敏度而受到关注。然而，这类贵金属SPR现象的激发均发生在500 nm可见光波段，存在工作波长范围偏窄和使用贵金属而导致的成本过高等问题[8]。

基于上述考虑，本文采用数值方法研究波长调制型Ag-TiO2复合膜SPR传感器的光谱特性，设计优化复合薄膜结构，为拓宽SPR传感器的共振波长范围提供理论指导。

1SPR传感器的基本原理

SPR技术的基本原理实质为基于光入射介质—金属薄膜—待测介质三层结构全内反射光学现象。图1示出了三层介质结构SPR传感原理示意图。一束P偏振光以一定角度入射到介质1与金属界面发生全反射产生倏逝波，其波矢量为Kx。在金属薄膜与待测介质界面上，存在一种局限于金属表面上沿X方向传播并且幅度沿纵向衰减表面等离子体波(surface plasmon wave，SPW)，其波矢为Ksp。当倏逝波波矢Kx与表面等离子体波波矢Ksp相匹配时，入射光波矢沿X轴的分量与表面等离子体波波矢的X分量相同，入射光的能量被等离子体波大幅度吸收，导致反射光强急剧降低，二者发生谐振，即满足式(1)

(1)

式中ω为光波的角频率，c为真空中的光速，ε1为介质1的介电常数， θ0为入射角,εm为金膜的介电常数， εs为待测介质的介电常数。

图1　三层介质结构SPR传感原理示意图Fig 1　Diagram of sensing principle of three-layer medium structure based on SPR

2仿真结果与讨论

金属敏感膜的厚度是影响SPR传感器灵敏度的一个主要因素。图2所示为外界介质折射率为1时，基于不同厚度Ag纳米薄膜SPR光谱仿真结果图。从图中可以清楚地看出，当Ag膜厚度由40 nm逐渐增加到80 nm时，共振吸收峰的半峰宽逐渐减小，吸收峰锐化程度增强，这有助于确定共振波长的位置。同时由图可见，随着Ag膜厚度的增大，各厚度Ag膜的共振波长几乎保持不变；而吸收峰对应的反射率先减小后增大，其中,60 nm厚Ag膜的共振现象最为明显，其共振波长为481.25 nm，共振全峰半宽度约为29.60 nm。

图3示出了外界介质折射率为1时，基于Ag-TiO2复合薄膜SPR光谱仿真结果图。由仿真结果可知，在P偏振光激励下Ag-TiO2复合薄膜也可产生SPR现象，但复合膜的SPR峰位不同。从图中可以看出，在保持复合膜厚度为60 nm不变的情况下，Ag-TiO2复合薄膜的SPR波长随TiO2薄膜厚度的增大而向长波长方向移动，即复合薄膜的共振波长发现明显红移现象。共振波长与TiO2厚度之间的关系曲线如图4所示。由图4可见，与60 nm厚单层Ag膜的共振波长相比较，12 nm厚TiO2膜的引入导致共振波长红移超过200 nm，这表明,利用Ag-TiO2复合薄膜可使SPR现象发生在近红外光区域。此外，从图4还可以看出:复合膜SPR峰深度随TiO2厚度的增加几乎不发生变化，表明共振峰深度不依赖于TiO2膜厚度；共振全峰半峰宽度虽然随TiO2薄膜厚度的增大略有增大，但半峰宽增大并不明显，表明复合膜仍具有较高的传感灵敏度。

图2　不同厚度Ag膜光纤SPR传感器的仿真光谱图Fig 2　Simulated spectra of optical fiber SPR sensors based on Ag thin films with different thickness

图3　不同厚度Ag-TiO2复合膜光纤SPR传感器的仿真光谱图Fig 3　Simulated spectra of optical fiber SPR sensors based on Ag-TiO2 composite thin films with different thickness

图4　共振波长和全峰半宽度与Ag-TiO2膜厚度的变化关系曲线Fig 4　Relationship curves between resonance wavelength and half width of peak and change of Ag-TiO2 film thickness

3结论

本文采用数值计算方法仿真研究了基于Ag膜和Ag-TiO2复合膜波长调制型SPR传感器的光谱特性，得出主要结论如下：

1)当外界介质折射率为1.0时，60 nm厚Ag膜的SPR现象最明显，其共振波长为481.25 nm；

2)当保持Ag-TiO2复合膜厚度为60 nm时，复合薄膜SPR波长随TiO2薄膜厚度的增大而向长波长方向移动，发现红移；

3)Ag-TiO2复合薄膜可使SPR现象发生在近红外光区域，并且仍具有较高的传感灵敏度。

参考文献:

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[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

*基金项目：国家自然科学基金资助项目(51474069,51374072,51101027)；国家科技重大专项课题资助项目(2011ZX05020—006)；黑龙江省新世纪优秀人才支持计划资助项目(1253—NCET—002)

中图分类号:TN 253； TP 212.1

文献标识码:A

文章编号:1000—9787(2016)03—0016—02

作者简介:

刘超(1978-)，男，黑龙江木兰人，博士，教授，主要从事表面等离子体共振技术研究。