https://doi.org/10.15407/iopt.2022.57.152

Optoelectron. Semicond. Tech. 57, 152-159 (2022)

H. V. Dorozinska, M. O. Hryhorchuk


DETERMINATION OF THE THICKNESS OF PLASMON CARRIER LAYERS BY THE PHOTOMETRIC METHOD


The influence of design and technological factors, in particular, the deviation of the thickness of the plasma-carrying layer from the nominal value, introduces uncertainty into the measurement by the method of surface plasmon resonance. The effect of the thickness of nanoscale films of surface plasmon resonance sensors on the characteristics of these sensors is shown in the work using the method of numerical modeling. An experimental study of the transmission spectra and reflection characteristics of gold films of different thicknesses was conducted and consistency with theoretical calculations was established. Transmittance coefficients were used as an informative parameter for estimating the thickness of nanosized gold films of surface plasmon resonance sensors. Not only the difference in the angular positions of the resonance and the intensity of the reflected light in it, but also the different width of the resonance characteristics in the region of the minimum and the shape of the intensity graph at angles smaller than the critical one are characteristic for samples with different thicknesses. The correlation coefficient between the thickness of the studied samples and the corresponding transmission coefficients at a wavelength of 532 nm is r = - 0.943. This means that there is a correlation between the parameters, there is a linear functional dependence between them. An empirical dependence of d=1100.7712·T-0.3328 with a high degree of correlation (r = - 0.943) was established between the thickness and the corresponding transmittance coefficients of gold films for λ=532 nm. With this relative empirical error of thickness determination does not exceed 3%. The dependence of the maximum transmission spectrum Tλmax of nanosized gold films on the thickness of these films was experimentally established. At this step, the thickness determination did not exceed 1 Ǻ.

The research data show the prospects of using the monochromatic photometric method to determine the thickness of plasma-carrying nanoscale layers.

Keywords: surface plasmon resonance, thickness of nanoscale films

References

https://doi.org/10.1016/S0925-4005(98)00321-9

2. Voitovych Y. D. Sensory na osnove plazmonnoho rezonansa: printsypy, tekhnolohyy, prymenenyia. K.: Stal. 2011.

3. Kretschmann E. Die bestimmung optischer konstanten von metallen durch anregung von oberflachen plasmaschwingungen. Zeitschrift für Physik. 1971. 241. P.313-324.

https://doi.org/10.1007/BF01395428

4. Zhang S., Pei Y., Liu L. Dielectric function of polycrystalline gold films: Effects of grain boundary and temperature. J. Appl. Phys. 2018. 124. P. 165301.

https://doi.org/10.1063/1.5045760

5. Chen K.-P., Drachev V. P., Borneman J. D., Kildishev A. V., Shalaev V. M. Drude relaxation rate in gained gold nanoantennas. Nano Lett. 2010. 10. P. 916-922.

https://doi.org/10.1021/nl9037246

6. Azzam R. M. A., Bashara N. M. Ellipsometry and Polarized Light. North-Holland Publishing Company. 1977.

7. Chegel V. I., Shirshov Yu. M., Kostyukevich S. O. [et al.] Experimental investigations and computer modelling of the photochemical processes in Ag-As2S3 structure susing surface plasmon resonance spectroscopy. Semiconductor Physics, Quantum Electronics&Optoelectronics. 2001. 4, № 4. P. 301-306.

https://doi.org/10.15407/spqeo4.04.301

8. Dorozhynska H. V., Maslov V. P., Markin M. O. Informatsiini, intelektualni ta nanotekhnolohii: laboratornyi praktykum. 2019. Kyiv: KPI im. Ihoria Sikorskoho.

9. Yakubovsky D. I., Arsenin A. V., Stebunov Yu. V. [et al.] Optical constants and structural properties of thin gold films. Opt. Express. 2017. 25, №21. P. 25574-25587.

https://doi.org/10.1364/OE.25.025574

10. Rosenblatt G., Simkhovich B., Bartal G., Orenstein M. Nonmodal Plasmonics: Controlling the Forced Optical Response of Nanostructures. Physical Review X. 2020. 10, №1. P. 011071.

https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.011071

Г. В. Дорожинська, М. О. Григорчук, Г. В. Дорожинський

ВИЗНАЧЕННЯ ТОВЩИНИ ПЛАЗМОН-НОСІЙНИХ ШАРІВ ФОТОМЕТРИЧНИМ МЕТОДОМ

Вплив конструкторсько-технологічних факторів, зокрема, відхилення товщини плазмоносійного шару від номінального значення, вносить невизначеність у вимірювання методом поверхневого плазмонного резонансу. Методом чисельного моделювання в роботі показано вплив товщини нанорозмірних плівок сенсорів поверхневого плазмонного резонансу на їхні оптичні характеристики. Проведено експериментальне дослідження фотометричним методом спектрів пропускання, виміряні характеристики відбиття золотих плівок різної товщини методом поверхневого плазмонного резонансу та встановлено узгодженість з теоретичними розрахунками. Як інформативний параметр для оцінки товщини нанорозмірних плівок золота сенсорів поверхневого плазмонного резонансу застосовувались коефіцієнти пропускання. Для різних за товщиною зразків характерним є не тільки різниця у кутових положеннях резонансу та інтенсивності відбитого світла в ньому, а також різна ширина резонансних характеристик в області мінімуму та форма графіка інтенсивності при кутах, менших за критичний. Коефіцієнт кореляції між товщиною досліджуваних зразків та відповідними коефіцієнтами пропускання на довжині хвилі 532 нм становить 

r = - 0,943. Це означає, що між параметрами є кореляція, між ними є лінійна функціональна залежність. Встановлено емпіричну залежність d=1100,7712·T-0,3328 з високим ступенем кореляції (r = - 0,943) між товщиною та відповідними коефіцієнтами пропускання золотих плівок для λ=532 нм. При цьому відносна емпірична похибка визначення товщини не перевищує 3%. Експериментально встановлено залежність максимуму спектра пропускання Тλмакс нанорозмірних золотих плівок від товщини цих плівок. При цьому крок визначення товщини не перевищує 1 Ǻ.

Дані дослідження показують перспективність використання монохроматичного фотометричного методу для визначення товщини плазмоносійних нанорозмірних шарів.  

Ключові слова: поверхневий плазмонний резонанс, товщина нанорозмірних плівок