journal-opt - abstr126-133

https://doi.org/10.15407/iopt.2019.54.126

Optoelectron. Semicond. Tech. 54, 126-133 (2019)

H.V. Dorozinska

SENSITIVITY SIMULATION OF SENSORS BASED ON SURFACE PLASMON RESONANCE PHENOMENON WITH ADDITIONAL UPPER NANOLAYER OF POLYTETRAFLUOROETHYLENE

The method of numerical simulation in the work demonstrates the prospects for the use of additional polytetrafluoroethylene overhead nanolayer (PTFE) to increase the sensitivity of devices based on the phenomenon of surface plasmon resonance. This shows the possibility of replacing a gold nanolayer on a silver nanolayer in case where both metal films form additional upper polytetrafluoroethylene nanolayer that protects against the aggressive action of the medium and the oxidation of the surface when the interaction of the substances studied and the metal nanolayer. Optimization of the thickness of metal nano layer, the results of which are used in the modeling of metrological characteristics for sensitive elements on a basis of gold and silver with additional upper PTFE nanolayer was provided. The shift of the minimum of the reflection characteristic from the radiation wavelength in the range from 530 to 1550 nm was determined for sensitive elements of sensors with a layer of silver, with a layer of gold and with additional upper layers of PTFE for both variants. At the beginning of the apparent radiation wavelength range, the difference between the minima of the reflectance characteristics for the PTFE-gold sensitive element is Δθmin = 10° in comparison with the PTFE-silver element, which allows to expand the dynamic measuring range of devices based on the phenomenon of surface plasmon resonance with a sensitive element with a silver nanolayer and PTFE. The use of silver film with additional PTFE layer provides a greater sensitivity of approximately 2 times on measuring the intensity of reflected light at a constant angle of incidence compared to PTFE and gold nanolayer. The results of theoretical modeling are consistent with the experimental results obtained in previous works and obtained for the first time. Therefore, the use of sensors based on the phenomenon of the surface plasmon resonance with additional upper nanolayer of polytetrafluoroethylene can be used to improve the determination of the optical characteristics of the investigated medium and the chemical inertness of the working surface of optical gas sensors.

Keywords: surface plasmon resonance, polytetrafluoroethylene, sensor, sensitivity.

PDF

8-Dorozynska.pdf

References

1. Homola J., Yee S. and Gauglitz G. Surface plasmon resonance sensors: review. Sensors and Actuators B. 1999. 54. P.3-15.

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

2. Vojtovich I. D. Sensory na osnove plazmonnogo rezonansa: principy, tehnologii, primeneniya. K.: Stal, 2011. (in Russian)

3. Hsu S.-H., Lin Y.-Y., Lu S.-H., Tsai I-F., Lu Y.-T., Ho H.-T. Mycobacteriumtuberculosis DNA Detection Using Surface Plasmon Resonance Modulatedby Telecommunication Wavelength. Sensors. 2014. 14. P. 458-467.

https://doi.org/10.3390/s140100458

4. Dorozinsky G.V., Liptuga A.I., Gordienko V.I., Maslov V.P., Pidgornyi V.V. Diagnostics of motoroil quality by using the device based on surface plasmon resonance phenomenon. Scholars Journal of Engineering and Technology. 2015. 3. P.372-374.

5. Kostyukevych K. V., Khristosenko R. V., Shirshov Yu. M. [et al.] Multi-element gas sensor based on surface plasmon resonance: recognition of alcohols by using calixarene films. Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. 2011. 14, No 3. P.313-320.

https://doi.org/10.15407/spqeo14.03.313

6. Slepiska P., Michaljanisova I., Ivorsik V. Controlled biopolymer roughness induced by plasma and excimer laser treatment. Express polymer letters. 2013. 7, No 11. P.950-958.

https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2013.92

7. Fouad S., Sabri Naseer, Jamal Z.A.Z., Poopalan P. Enhanced Sensitivity of Surface Plasmon Resonance Sensor Based on Bilayers of Silver-Barium Titanate. Journal of nano- and electronic physics. 2016. 8, No 4. P.04085 (5pp).

https://doi.org/10.21272/jnep.8(4(2)).04085

8. Hristosenko R.V., Danko V.A., Dorozhinskij G.V., Ushenin Yu.V. Doslidzhennya sensornih vlastivostej plivok SiOx za dopomogoyu gazovogo sensora na osnovi yavisha poverhnevogo plazmonnogo rezonansu. Tezi dopovidej HVII Mizhnarodnoyi naukovo-praktichnoyi konferenciyi «Suchasni informacijni ta elektronni tehnologiyi: SIET». Odesa,Ukrayina. 23-27 travnya, 2016. C.222-223. (in Ukrainian)

9. Majofis I. M. Himiya dielektrikov. M. «Vysshaya shkola», 1970, 332 s. (in Russian)

10. Gricenko K. P. Plenki politetraftoretilena, nanesennye ispareniem v vakuume: mehanizm rosta, svojstva, primenenie. Ros. him. zh. 2008. LII, No 3. S.112-123. (in Russian)

11. Hastings J. T., Guo J., Keathley P. D., Kumaresh P. B., Wei Y., Law S., and Bachas L. G. Optimal self-referenced sensing using long- and short- range surface plasmons. Optics express. 2007. 15, No 26. P.17661-17672.

https://doi.org/10.1364/OE.15.017661

12. Masaru Mitsushio, Akimichi Nagaura, Toshifumi Yoshidome, Morihide Higo. Molecular selectivity development of Teflon® AF1600-coated gold-deposited surface plasmon resonance-based glass rod sensor. Progress in Organic Coatings.2015. 79. P.62-67.

https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2014.11.003

13. Dorozhinska G. V. Modelyuvannya chutlivosti sensoriv na osnovi yavisha poverhnevogo plazmonnogo rezonansu z dodatkovim sharom politetraftoretilenu. Tezi dopovidej konferenciyi molodih vchenih z fiziki napivprovidnikiv «LAShKAROVSKI ChITANNYa - 2019». Kiyiv,Ukrayina. 3-5 kvitnya 2019. 2019. S.55-56. (in Ukrainian)

14. Azzam R., Bashara N. Ellipsometriya i polyarizovannyj svet. M.: Mir. 1981. S. 583. (in Russian)

15. 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, No 4. P. 301-306.

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

16. Patent № 126835 (Ukrayina) vid 10.07.2018. Prilad dlya analizu ridkih ta gazopodibnih seredovish. Dorozhinska G.V., Dorozhinskij G.V., Kolomzarov Yu.V., Gricenko K.P., Ushenin Yu.V., Maslov V. P. (in Ukrainian)

17. Dorozhinskij G. V., Maslov V. P., Ushenin Yu. V. Sensorni priladi na osnovi poverhnevogo plazmonnogo rezonansu.K.: Politehnika, 2016. (in Ukrainian)

18. Kretschmann E. Die Bestimmung optischer Konstanten von Metallen durch Anregung von Oberflachenplasmaschwingugnen. Z Phys. 1971. 241. P. 313-324.

https://doi.org/10.1007/BF01395428

Г.В. Дорожинська

МОДЕЛЮВАННЯ ЧУТЛИВОСТІ СЕНСОРІВ НА ОСНОВІ ЯВИЩА ПОВЕРХНЕВОГО ПЛАЗМОННОГО РЕЗОНАНСУ З ДОДАТКОВИМ ВЕРХНІМ НАНОШАРОМ ПОЛІТЕТРАФТОРЕТИЛЕНУ

Методом чисельного моделювання в роботі показано перспективи використання додаткового верхнього наношару політетрафторетилену (ПТФЕ) для підвищення чутливості приладів на основі явища поверхневого плазмонного резонансу. При цьому показано можливість заміни наношару золота з наношаром політетрафторетилену на наношар срібла з додатковим верхнім наношаром політетрафторетилену, який захищає від агресивної дії середовища та окислення поверхні при взаємодії досліджуваних речовин та металевого наношару. Проведена оптимізація товщин металевих наношарів, результати якої використано при моделюванні метрологічних характеристик для чутливих елементів на основі золота та срібла з додатковими верхніми наношарами ПТФЕ. Було визначено зсув мінімуму характеристики відбиття від довжини хвилі випромінювання в діапазоні від 530 до 1550 нм для чутливих елементів сенсорів із шаром срібла, із шаром золота та з додатковими верхніми шарами ПТФЕ для обох варіантів. На початку видимого діапазону довжини хвилі випромінювання різниця між мінімумами характеристики відбиття для чутливого елемента ПТФЕ-золото складає Δθ_min=10° порівняно з елементом ПТФЕ-срібло, що дозволяє розширити динамічний діапазон вимірювання приладами на основі явища поверхневого плазмонного резонансу з чутливим елементом з наношаром срібла та ПТФЕ. Використання наношарів ПТФЕ і срібла забезпечує більшу чутливість приблизно у 2 рази на схилі характеристики відбиття в режимі вимірювання інтенсивності відбитого світла при постійному куті його падіння порівняно з наношарами ПТФЕ і золота. Результати теоретичного моделювання узгоджуються з експериментальними результатами, що отримані вперше в попередніх роботах. Тому застосування сенсорів на основі явища поверхневого плазмонного резонансу з додатковим верхнім наношаром політетрафторетилену можна використовувати для покращення визначення оптичних характеристик досліджуваного середовища та хімічної інертності робочої поверхні газових сенсорів на основі явища поверхневого плазмонного резонансу.

Ключові слова: поверхневий плазмонний резонанс, політетрафторетилен, сенсор, чутливість.

Back / Повернутися