Gold plasmonic array structures for sensing applications

Abstract

Ця стаття присвячена теоретичному дослідженню плазмонних властивостей періодично розташованих масивів наночастинок золота. Програмне забезпечення Comsol Multiphysics, яке базується на методі скінченних елементів, було використано для побудови числових 3D моделей для моделювання та проведення досліджень. У роботі досліджено розподіл електричного поля та оптичні характеристики масиву сферичних наночастинок золота. Індивідуальні локалізовані моди поверхневого плазмонного резонансу зазнають впливу коли металеві наночастинки знаходяться в безпосередній близькості, і в результаті електричні ближні поля можуть з’єднуватися, створюючи новий гібридний режим. Ми зосередилися, в основному, на дослідженні двох ключових питань, а саме впливу відстані між поверхнями наночастинок та впливу показника заломлення навколишнього середовища на кінцевий оптичний відгук масивів наночастинок золота. Масив періодично розташованих наночастинок золота характеризується підсиленим локальним електричним полем між наночастинками, яке обернено пропорційне відстані між поверхнями частинок. Напруженістю поля та оптичними властивостями (відбиванням, пропусканням і поглинанням) можна зручно керувати, змінюючи відстань між частинками. Крім того, розглянуто їх потенційне застосування в якості чутливого сенсорного елемента. Досліджена структура має значний потенціал для практичного застосування завдяки широкому діапазону робочих довжин хвиль і простоті високопродуктивного виготовлення. В ході проведення дослідження було встановлено, що зміна відстані між поверхнею наночастинок на 1 нм призводить до вагомого зміщення спектральних кривих пропускання та розсіяння на спектральній шкалі. Крім цього, результати дослідження показали, що збільшення відстані між поверхнями наночастинок призводить до значного зниження ближньопольової взаємодії між наночастинками золота в масиві. Отже, отримані результати можуть бути успішно використані при виготовленні вискочутливих плазмонних сенсорів із можливістю контролю чутливості та робочого спектрального діапазону.

This article is devoted to the theoretical study of the plasmonic properties of periodically arranged arrays of gold nanoparticles. The Comsol Multiphysics software, which is based on the finite element method, was used to build 3D numerical models for the simulation and conduct research. In this work the electric field distribution and optical characteristics of the spherical gold nanoparticles array were studied. Individual localized surface plasmon resonance modes are influenced when metallic nanoparticles are in the close proximity and as a result the electric near- fields can couple, resulting in a new hybrid mode. We mainly focused here on the investigation of two crucial questions, particularly, influences of the gap between the nanoparticles and the refractive index of the surrounding medium on the resulting optical response of the gold nanoparticles arrays. The array of periodically arragement gold nanoparticles is characterized by an enhanced local electric field between the nanoparticles, which is inversely proportional to the gap between the particles. The field strength and optical properties (reflection, transmission, and absorption) can be conveniently manipulated by changing the gap between particles. In additional, their potential applications as sensetive plasmonic sensors element have been considered. The studied structure has a significant potential for practical applications due to its wide range of the operating wavelengths and ease of the high-throughput fabrication. In the course of the study, it was established that the change in the distance between the surface of nanoparticles by 1 nm leads to a significant shift in the spectral transmission and reflection curves on the spectral range. In addition, these studies showed that an increase in the distance between the surfaces of nanoparticles leads to the decrease in the near-field interaction between gold nanoparticles in the array. Therefore, the obtained results can be successfully used in the manufacture of highly sensitive plasmon sensors with the possibility of controlling the sensitivity and the working spectral range.