https://doi.org/10.15407/iopt.2024.59.144
Optoelectron. Semicond. Tech. 59, 144-151 (2024)
V.V. Romanchuk, A.V. Samoylov, Ye.F. Venger , G.V. Dorozhinsky, O.B. Sidnev, R.V. Khrystosenko
MODELLING AND RESEARCH OF THE PROPERTIES OF PLASTIC SUBSTRATES OF GAS SENSORS BASED ON SURFACE PLASMON RESONANCE
Gas sensors based on surface plasmon resonance (SPR) are used in many areas of research (biological, chemical, medical, etc.), but such research is still quite expensive. Analysis of literary sources shows that special optical glass, in particular BK-7 or SF-11, is most often used as the substrate material for the sensitive element. These materials are expensive and require complex processing technologies. The use of plastic as a substrate material is a promising approach. Numerical mathematical modeling shows that the position of the SPR angles and the sensitivity of the sensor depend on the refractive index (RI) of the substrate material. The angles shift to a larger side when the RI of the substrate decreases and also depend on the selected laser wavelength. For a laser with a wavelength of 650 nanometers, the angles shift from 41.28° to 48.08° when the RI of the material decreases. For the 850 nanometer laser, the angle shift is smaller: from 40.31° to 46.67°. The angle shift for 650 nanometers is larger, resulting in higher sensitivity. Also, the sensitivity of the sensor depends on the magnitude of the change in the RI of the gas medium. For a 650 nanometer laser, the difference is from 55.30 degrees per refractive index unit (deg./RIU) to 60.54 deg./RIU for polycarbonate and from 70.38 deg./RIU to 81.28 deg./RIU for polydimethylsiloxane. For the 850 nanometer laser, this difference ranges from 50.90 deg./RIU to 54.67 deg./RIU for polycarbonate and from 63.86 deg./RIU to 71.63 deg./RIU for polydimethylsiloxane. As a result of the study, it is shown that the use of a material with a lower RI increases the sensitivity of the gas sensor, which expands the range of its applications. The sensitive element on the polydimethylsiloxane substrate increases the sensitivity of the gas sensor by 17% compared to the gold film on the BK-7 glass substrate. In this way, the expediency of using polydimethylsiloxane as a substitute for more expensive optical glass as a substrate material for the sensitive element of gas environment sensors based on SPR has been established.
Keywords: surface plasmon resonance, gas sensor, plastic substrate, sensitivity, modelling.
References
1. Monthly average air pollution models using geographically weighted regression in Europe from 2000 to 2019. Sci Total Environ. 2024. 170550.
2. Manisalidis I. et al. Environmental and health impacts of air pollution: a review. Front. Public Health. 2020. 8. 14 p.
3. Manucci P. M., Franchini M. Health effects of ambient air pollution in developing countries. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2017. 14. P. 1048-1055.
4. Bogue R. Environmental sensing: strategies, technologies and applications. Sens. Rev. 2008. 28. P. 275-282.
5. Dhall S. et al. A review on environmental gas sensors: Materials and technologies. Sens. Int. 2021. 2. 10 p.
6. Bouricha B. A real-time sharp selectivity with In2S3 gas sensor using a nonlinear dynamic response for VOCs. Measurement. 2021. 185. 110070.
7. Dey A. Semiconductor metal oxide gas sensors: A review. Materials Science and Engineering: B. 2018. 229. P. - 206-217.
8. Dinh T.V. et al. A review on non-dispersive infrared gas sensors: Improvement of sensor detection limit and interference correction. Sensors and Actuators B: Chemical. 2016. 231. P. 529-538.
9. Korotcenkov G. Metal oxides for solid-state gas sensors: What determines our choice? Mater. Sci. Eng. B. 2007. 139. P. 1-23.
10. Liedberg B., Nylander C., Lundstrom I. Surface plasmon resonance for gas detection and biosensing. Sensors and Actuators. 1983. P. 299-304.
11. Nooke et al. On the application of gold based SPR sensors for the detection of hazardous gases. Sensors and Actuators B: Chemical. 2010. 149. P. 194-198.
12. Boon-Brett L., Bousek J., Moretto P. Reliability of commercially available hydrogen sensors for detection of hydrogen at critical concentrations: part II-selected sensor test results. Int. J. Hydrogen Energy. 2009. 39. P. 562-571.
13. Yi Xiao et al. Simultaneous measurement of hydrogen and methane concentrations with temperature self-calibration based on a SPR sensor with an anchor-shaped photonic crystal fiber. Optics & Laser Technology. 2024. 175. 110880. 10 p.
14. Poliwal A. et al. Room temperature detection of NO2 gas using optical sensor based on surface plasmon resonance technique. Sensors and Actuators B: Chemical. 2015. 216. P. 497-503.
15. Mishra S.K. et al. Surface plasmon resonance based fiber optic ammonia gas sensor using ITO and polyaniline. Sensors and actuators B: Chemical. 2012. 171. P. 976-983.
16. Sinha B. et al. Design of a fiber-optic sensor with ultrahigh resolution for nitrogen dioxide detection based on gain-enhanced surface plasmon resonance. Results in Optics. 2023. 11. 100381.12 p.
17. Moznuzzaman Md. et al. Effect of layer thickness variation on sensitivity: An SPR based sensor for formalin detection. Sensing and Biosensing Research. 2021. 32.100419. 8 p.
18. Homola J., Yee S.S., Gauglitz G. Surface plasmon resonance sensors: review. Sensors and Actuators B: Chemical. 1999. 54. P. 3-15.
19. Singh P. Biosensors: Historical Perspectives and Current Challenges. Sensors and Actuators B: Chemical. 2016. 229. P. 110-130.
20. Kretschmann E., Raether H. Radiative decay of non-radiative surface plasmons excited by light. Z. Naturforsch. Part A. 1968. 23. P. 2135-2136.
21. Zhang X. et al. Customizable miniaturized SPR instrument. Talanta. 2024. 269. 125440.
22. Kostyukevych S.O., Kostyukevych K.V., Khrystosenko R.V., ,Koptiukh A.A., Moscalenko N.L., Lysiuk V.O., Pogoda V.I. Surface plasmon resonance sensor based on polymer substrate. Optoelectron. Semicond. Tech. 2016. 51. P. 143-149.
23. Homola J. Surface plasmon resonance sensors for detection of chemical and biological species. Chem. Rev. 2008. 108. Р. 462-493.
24. Zhang X. et al. Complex refractive indices measurements of polymers in visible and near-infrared bands. Appl. Opt. 2020. 59. P. 2337-2344.
25. Rosenblatt G. et al. Nonmodal plasmonics: Controlling the forced optical response of nanostructures. Phys. Rev. X. 2020. 10. 011071. 21 p.
26. Azzam R.M.A., Bashara N.M. Ellipsometry and polarized light. North Holland Publishing Company. 1977. P. 83-98.
В.В. Романчук, А.В. Самойлов, Є.Ф. Венгер, Г.В. Дорожинський, О.Б. Сіднєв, Р.В. Христосенко
МОДЕЛЮВАННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПЛАСТИКОВИХ ПІДКЛАДОК СЕНСОРІВ ГАЗОВИХ СЕРЕДОВИЩ НА ОСНОВІ ПОВЕРХНЕВОГО ПЛАЗМОННОГО РЕЗОНАНСУ
Сенсори на основі явища поверхневого плазмонного резонансу (ППР) знайшли застосування у багатьох сферах, насамперед для моніторингу якості повітря. Аналіз літературних джерел показав, що найчастіше в якості матеріалу підкладки чутливого елемента використовується оптичне скло, зокрема, марок ВК-7 або SF-11. Ці матеріали є коштовними та потребують складних технологій обробки. Перспективним є використання пластику в якості матеріалу підкладки. Методом чисельного математичного моделювання показано, що положення кутів ППР та чутливість сенсора залежать від показника заломлення (ПЗ) матеріалу підкладки. Кути зсуваються в більший бік при зменшенні ПЗ підкладки і також залежать від обраної довжини хвилі лазера. Для лазера з довжиною хвилі 650 нанометрів при зменшенні ПЗ матеріалу кути зсуваються від 41,28° до 48,08°. Для лазера 850 нанометрів зсув кутів є меншим: з 40,31° до 46,67°. Зсув кута для 650 нанометрів є більшим, що забезпечує вищу чутливість. Також чутливість сенсора залежить від величини зміни ПЗ досліджуваного газу. Для лазера 650 нанометрів різниця складає від 55,30 градусів на одиницю показника заломлення (град./RIU) до 60,54 град./RIU для полікарбонату та від 70,38 град./RIU до 81,28 град./RIU для полідиметилсилоксану. Для лазера 850 нанометрів ця різниця складає від 50,90 град./RIU до 54,67 град./RIU для полікарбонату та від 63,86 град./RIU до 71,63 град./RIU для полідиметилсилоксану. В результаті дослідження показано, що використання матеріалу з меншим ПЗ сприятиме збільшенню чутливості газового сенсора, що розширює коло його застосувань. Чутливий елемент на підкладці з полідиметилсилоксану збільшує чутливість газового сенсора на 17% у порівнянні із золотою плівкою на підкладці зі скла BK-7. Таким чином встановлено доцільність використання полідиметилсилоксану як заміни більш коштовному оптичному склу в якості матеріалу підкладки чутливого елемента сенсорів газових середовищ на основі ППР.
Ключові слова: поверхневий плазмонний резонанс, газовий сенсор, пластикова підкладка, чутливість, моделювання.