基于金纳米块增强型MIM波导传感器的气体和液体浓度同时检测技术

《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Gold nanoblock-enhanced MIM waveguide sensor for simultaneous detection of gas and liquid concentrations

　　

秦福萌|罗浩|任永鹏|李春蕾

东北林业大学理学院，哈尔滨150040，黑龙江省，中国

摘要

为了在气体和液体环境中实现双浓度测量，本文设计了一种基于金属-绝缘体-金属波导的传感器结构。该传感器由半轨道腔和马蹄形腔组成，每个腔都与一条直波导耦合，通过引入金纳米块来提高性能。使用有限元方法进行数值模拟，分析其传输特性和场分布。结果表明，通过调整结构参数可以独立控制双Fano共振峰。添加金纳米簇后，最大灵敏度达到3925 nm/RIU，比基础结构提高了19%。最后，该传感器成功实现了二氧化碳气体和葡萄糖溶液浓度的同时检测，灵敏度值分别为0.53 nm/ppm和0.43 nm·L/g。

引言

在这个快速发展的信息时代，开发具有高灵敏度、小型化甚至集成化的新型传感技术已成为一个关键的研究焦点。表面等离子体激元（SPPs）是由光激发在金属-介质界面上引起的自由电子的集体振荡[1]。SPPs对界面处介电常数的微小变化非常敏感，并且在垂直于金属-介质界面的方向上传播时迅速衰减[2]。因此，基于SPPs的光学器件广泛应用于各种领域，如多路复用器[3]、光开关[4],[5],[6]、滤波器[7],[8]以及传感器[9],[10],[11],[12]。在这些设备中，SPPs传感器因其无标记检测和高灵敏度等优势而受到广泛关注[13]。构成SPPs传感器的各种结构中，最常见的 adalah 金属-绝缘体-金属（MIM）结构[14]。这是因为MIM波导结构简单，并且具有足够的限制光的能力[15]。Fano共振是由美国科学家Ugo·Fano在20世纪中期提出的，它源于连续状态和离散状态之间的耦合[16]。Fano共振的线性形状表现出不对称性，导致其波形对环境变化有显著响应[17]。因此，研究人员设计了各种基于SPP的MIM波导传感器。

近年来，一些研究人员专注于设计不同形状的谐振器以提高灵敏度，例如圆形谐振器[18]、方形谐振器[19]、椭圆形环谐振器[20]等。为了提高传感性能，一些研究人员利用机器学习[21],[22],[23]来优化传感器的性能。另一方面，许多研究人员开发了能够产生双Fano共振的传感器，从而提高了检测效率[24]。Jiang等人提出了一种具有T形腔和矩形腔的等离子体纳米传感器[25]。通过调整T形腔的长度或矩形腔的尺寸，可以独立控制RP1和RP2/RP3的共振波长。最终，该传感器的最大灵敏度达到了1150 nm/RIU。Zhao等人提出了一种具有钥匙形腔的MIM波导等离子体传感器[26]。这种传感器具有高灵敏度和可独立调节的多重共振模式。当用于折射率检测时，该结构的最大灵敏度达到1520 nm/RIU，优值（FOM）为195.89。SPPs传感器通过监测由浓度变化引起的共振特性的变化来检测气体和液体的浓度。这些变化是由于周围折射率的差异造成的。分析物的浓度变化会改变折射率，从而导致共振波长或强度的可测量变化。

本文设计了一种纳米块增强的双谐振器腔传感器，其结构由半轨道形腔和马蹄形腔组成。在马蹄形腔中填充了对PHMB浓度敏感的介质后，该传感器能够同时测量二氧化碳气体浓度和葡萄糖溶液浓度。本文使用有限元方法进行了数值模拟，并在计算边界施加了完美匹配层。分析了传感器的电磁场分布和传输谱，并解释了Fano共振的形成机制。此外，该传感器能够独立调节双Fano共振。在该结构中添加了三个金纳米块以提高灵敏度。比较了不同纳米块半径对透射率和灵敏度的影响后，获得了最佳结构。最终，优化后的结构实现了二氧化碳气体和葡萄糖溶液浓度的同时检测。

章节摘录

结构与方法

本文设计的传感器如图1(a)所示。该结构由半轨道腔（STC）、马蹄形腔（HC）和MIM直波导组成。STC由一个椭圆形腔和两个倒T形腔组成。这两个T形腔和椭圆形腔之间通过圆形腔连接，椭圆形腔的中间部分也包含一个圆形腔。半椭圆形波导的主半轴用₁表示

共振峰的形成机制

首先，为了探讨本文设计的传感器，表1提供了传感器的所有相关标准参数。

如图2所示，为了分析Fano共振的形成机制，研究了三种不同结构的传输谱。黑色、黄色和绿色线条分别代表仅有挡板结构、无挡板结构以及整个结构的传输谱。众所周知，Fano共振是由……

应用

本文设计的传感器可用于气体浓度和液体浓度的双重检测。在这种情况下，使用的溶液是葡萄糖，其折射率与浓度之间的关系由以下方程给出[38]：$n_g=0.0002015c_g+1.3292，$' role="presentation">$n_g=0.0002015c_g+1.3292，$这里 n_g 表示葡萄糖的折射率，c_g 表示葡萄糖的浓度。在测量二氧化碳浓度时，共振腔内填充了Poly Hexa Methylene

结论

本文设计并研究了一种纳米块增强的MIM波导传感器，能够实现气体和液体相的双浓度测量。该结构由半轨道腔、马蹄形腔和直波导耦合而成。通过有限元方法数值模拟分析了该结构的传输谱和磁场分布。结果表明，通过调整……可以独立调节双Fano峰

未引用参考文献

[39]

CRediT作者贡献声明

秦福萌：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原始草稿。任永鹏：形式分析，数据管理。罗浩：可视化，软件。李春蕾：项目管理，研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的竞争性财务利益或个人关系。