针对水溶液折射率检测的厚度优化的BK7/Ag/Ni/S富Zn-S硫属化合物多层Kretschmann表面等离子体共振（SPR）平台

《Surfaces and Interfaces》：Thickness-Optimized BK7/Ag/Ni/S-Rich Zn-S Chalcogenide Multilayer Kretschmann SPR Platform for Aqueous Refractive Index Sensing

　　

Bibhatsu Kuiri | Rittwick Mondal | Soumyajyoti Kabi | Ardhendu Sekhar Patra | Sonjoy Mondal

摘要

本研究报道了一种经过厚度优化的BK7/Ag/Ni/S富集的Zn-S硫属化合物多层结构，用于水溶液折射率（RI）传感的Kretschmann表面等离子体共振（SPR）平台。制备了一种富含硫的Zn-S薄膜，其名义组分为S₈₀Zn₂₀，并使用UV-Vis光谱对其进行了光学表征。通过传递矩阵方法（TMM）分析了该多层结构的角反射特性，并结合频域有限元仿真来研究界面电场的局域化现象。优化后的结构在Ag层厚度为47.58 nm时表现出较强的等离子体耦合效应；在Ni层厚度尚未因损耗而产生显著展宽之前，该结构仍能保持良好的耦合性能；当Zn-S覆盖层厚度达到6.31 nm时，耦合效果达到最佳。通过改变传感介质的折射率n_s（范围为1.3300至1.3390），研究了传感响应的变化。在此范围内，共振角从79.2849°变化到81.8737°，响应呈近似线性关系，斜率为286.99 °/RIU，相关系数R²为0.9987。半高宽（FWHM）从3.3164°增加到3.8040°，角灵敏度从258.18 °/RIU提升至323.58 °/RIU。性能指标S/FWHM从77.85提升至85.06 RIU^-1，而Q值（Q = θ_res/FWHM）由于线宽的适度展宽而从23.907下降至21.523。通过进行100次重复实验（每次厚度变化±0.8 nm，折射率变化Δn = 0.001），验证了该结构在制造和传感介质微小变化条件下的稳定性与可重复性。这些结果表明，所提出的BK7/Ag/Ni/S富集Zn-S多层结构是一种适用于水溶液折射率传感的SPR平台，并为未来与选择性葡萄糖识别化学技术的集成奠定了基础。