https://doi.org/10.15407/iopt.2023.58.122

Optoelectron. Semicond. Tech. 58, 122-127 (2023)

N.V. Kachur, G.V. Dorozhinsky, A.V. Fedorenko, V.P.Maslov

THE INFLUENCE OF OPTICAL GLASS AS A SUBSTRATE IN SPR SENSORS ON THE

TEMPERATURE STABILITY OF MEASUREMENT RESULTS

The influence of the properties of the substrate made from optical glass of surface plasmon resonance (SPR)

sensors on the temperature stability of measurements at a temperature change from 20 to 30°C, in which research is

most often carried out, was studied. The phenomenon of surface plasmon resonance is very sensitive to any changes at

the metal-dielectric interface, so studying the influence of the temperature factor is an actual task. Research in the

infrared region of the spectrum is important because in this case the possible thickness of the research object increases,

and it is also possible to reduce the thickness of the gold layer that is sprayed to the glass substrate of the sensory

element from 50 nm to 30 nm. But heating the sensitive element with an IR laser can introduce an additional error into

the measurement results. The sensitive element of the SPR device consists of a plate made of optical glass and a thin

layer of gold deposited on it. It is known that materials expand when heated. The difference in temperature coefficients

of linear expansion of glass and gold applied to it can lead to unequal expansion of glass (74x10 -7 ) and gold (14.2x10 -6 ),

respectively, causing elastic stresses in the gold sensitive layer of the sensor. Sensory elements with a 30 nm gold layer

are used for the IR range of measurements, and 50 nm for the visible range. Therefore, we investigated the stability of

the results of measuring the angle of surface plasmon resonance minimum at a wavelength of 650 nm (Plasmon-6

device). It was determined that the optical glass of the substrate affects the stability of measurements of the SPR index

of air from temperature fluctuations. The period of stabilization of measurement results in the visible range when the

temperature changes from 20 to 30 °C to the change in the angle of the SPR minimum changes from 0.0006

degrees/min for Zerodur to 0.0032 degrees/min for flints, i.e. almost 5 times with the thickness of the gold nanolayer 50

nm, and for a thickness of 30 nm it varies from 0.0010 deg/min for crowns and quartz to 0.0013 deg/min for flints. The

lowest value corresponds to Zerodur substrates with practically zero temperature coefficient of linear expansion and

quartz in this temperature range. To ensure the stability of the results of measurements of SPR characteristics against

temperature fluctuations in the range of 20-30°С, it is recommended to use Zerodur, quartz and crowns for the

substrates of SPR sensors

Keywords: surface plasmon resonance, optical glass, Zerodur, flint, crown.

PDF

Н.В. Качур, Г.В. Дорожинський, А. В.Федоренко, В.П. Маслов

ВПЛИВ ОПТИЧНОГО СКЛА ЯК ПІДКЛАДКИ В ППР-СЕНСОРАХ НА

ТЕМПЕРАТУРНУ СТАБІЛЬНІСТЬ РЕЗУЛЬТАТІВ ВИМІРЮВАННЯ

Досліджено вплив властивостей підкладки з оптичного скла сенсорів на основі явища поверхневого

плазмонного резонансу (ППР-сенсорів) на температурну стабільність вимірювань при зміні температури від 20

до 30°С, в якому найчастіше проводять дослідження. Для ІЧ-діапазону вимірювань використовують сенсорні

елементи з шаром золота 30 нм, а для видимого діапазону -50 нм. Тому досліджували стабільність результатів

вимірювання мінімуму кута поверхневого плазмонного резонансу на довжині хвилі 650 нм (прилад «Плазмон-

6»). При цьому використовували зразки підкладок з двома товщинами золота. Визначено, що оптичне скло

підкладки впливає на стабільність вимірювань ППР-показника повітря від температурних коливань. Період

стабілізації результатів вимірювань у видимому діапазоні при зміні температури від 20 до 30 °С до зміни кута

мінімуму ППР змінюється від 0,0006 град/хв для Zerodur до 0,0032 град/хв для флінтів, тобто майже в 5 разів

при товщині наношару золота 50 нм, а для товщини 30 нм змінюється від 0,0010 град/хв для кронів і кварцу до

0,0013 град/хв для флінтів. Найменше значення відповідає для підкладок Zerodur з практично нульовим

температурним коефіцієнтом лінійного розширення та кварцу в цьому температурному діапазоні. Для

забезпечення стабільності результатів вимірювань ППР-характеристик від температурних коливань в діапазоні

20-30°С рекомендується використовувати для підкладок ППР-сенсорів Zerodur, кварц та крони.

Ключові слова: поверхневий плазмонний резонанс, оптичне скло, Zerodur, флінт, крон.

Back / Повернутися