基于BiFeO3/WS2/TiO2异质结增强型表面等离子体共振生物传感器的设计与性能分析

《Results in Engineering》：Design and analysis of BiFeO 3/WS 2/TiO 2 heterostructure-based surface plasmon resonance biosensor with enhanced performance

为解决传统表面等离子体共振（SPR）传感器灵敏度不足、化学稳定性差的问题，研究人员设计了一种新型多层异质结SPR生物传感器（BK7/Ag/BiFeO3/WS2/TiO2/Ni），通过协同利用BiFeO3的多铁性、WS2的高介电常数和TiO2的等离子体耦合增强效应，将灵敏度提升至443.1 deg/RIU，品质因子达91.81 RIU-1，为高精度生物分子检测提供了新方案。

　　

在生物医学检测领域，表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）技术因其高灵敏度、无标记实时监测等优势，已成为细菌、葡萄糖、DNA杂交等生物分子检测的重要工具。然而，传统SPR传感器多依赖单一金属或二维材料，灵敏度提升受限，且银（Ag）等等离子体材料易氧化，稳定性差。如何通过材料组合与结构优化，实现灵敏度与稳定性的协同提升，成为当前SPR传感器研究的核心挑战。

为此，研究团队提出了一种基于BK7/Ag/BiFeO₃/WS₂/TiO₂/Ni异质结的多层SPR生物传感器。通过有限差分时域法（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）仿真分析，该传感器在633纳米波长下表现出卓越性能：灵敏度达443.1 deg/RIU，检测精度（Detection Accuracy, DA）为0.45905，品质因子（Quality Factor, QF）达91.81 RIU^-1，较传统SPR结构提升3.2倍。该传感器在折射率1.330–1.335范围内具有高效检测能力，适用于低浓度生物分子检测。相关成果发表于《Results in Engineering》，为高性能SPR传感器设计提供了新思路。

研究采用FDTD方法进行结构优化与性能仿真，通过角 interrogation 策略激发表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs），利用完美匹配层（Perfectly Matched Layers, PMLs）吸收边界条件减少反射干扰。传感器结构包含BK7棱镜、Ag（45纳米）、BiFeO₃（15纳米）、WS₂（0.8纳米单层）、TiO₂（5纳米）及Ni（35纳米）多层薄膜，通过物理气相沉积（Physical Vapor Deposition, PVD）、脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition, PLD）及化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition, CVD）等工艺实现可控制备。

3.1 Ag厚度优化

Ag层作为等离子体材料，其厚度显著影响传感器性能。当厚度从30纳米增加至50纳米时，灵敏度先升后降，在45纳米时达到峰值136.34 deg/RIU，此时半高全宽（Full Width at Half Maximum, FWHM）为4.3833度，QF为31.1042 RIU^-1。尽管50纳米厚度下QF更高（35.4956 RIU^-1），但灵敏度较低，故选择45纳米为最优厚度。

3.2 TiO₂厚度优化

TiO₂层可保护Ag并增强等离子体耦合。厚度在1–9纳米范围内，灵敏度随厚度增加而提升，在9纳米时达297.74 deg/RIU，但共振角过高（83.3759度），不利于实际应用。厚度为5纳米时，灵敏度为231.58 deg/RIU，DA与QF均衡（0.15338、30.6768 RIU^-1），故确定为最佳厚度。

3.3 Ni厚度优化

Ni层可优化磁场分布并降低光学损耗。厚度在20–40纳米范围内，35纳米时灵敏度最高（264.66 deg/RIU），DA与QF分别为0.50267、100.5336 RIU^-1。40纳米厚度虽QF略高（116.6852 RIU^-1），但灵敏度显著下降，因此35纳米被选为最终厚度。

3.4 BiFeO₃厚度优化

BiFeO₃作为多铁性材料，可增强电荷传输与场局域化。厚度在3–18纳米时，灵敏度随厚度增加而提升，18纳米时达409.02 deg/RIU，但FWHM增大会降低检测精度。15纳米厚度下灵敏度为391.98 deg/RIU，QF达90.928 RIU^-1，综合性能最优。

3.5 二维材料选择

比较WS₂、WSe₂、MoS₂及BlueP-WS₂四种二维材料，WS₂单层（0.8纳米）表现最佳：灵敏度443.1 deg/RIU，DA 0.45905，QF 91.81 RIU^-1。其高介电常数（4.8937 + 0.3124i）可有效增强倏逝场，提升灵敏度。

3.6 传感介质厚度优化

传感介质厚度影响场渗透深度。300纳米厚度时，灵敏度达443.1 deg/RIU，DA为0.45825，QF为91.6502 RIU^-1，且电场衰减深度为164.17纳米，确保高效检测。

研究通过多层异质结设计，充分利用BiFeO₃的电荷传输特性、WS₂的场增强效应及TiO₂的抗氧化能力，显著提升SPR传感器性能。该传感器在生物分子检测、环境监测等领域具有应用潜力，且制备工艺与现有技术兼容，为高性能光学传感器开发提供了可行方案。