Синтез металл-диэлектрических структур в условиях нарушенного полного внутреннего отражения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Синтез металл-диэлектрических структур в условиях нарушенного полного внутреннего отражения

Миниатюрные тонкослойные сенсорные структуры с металлической пленкой обладают высокой чувствительностью к изменениям показателей преломления и поглощения анализируемых жидких и газообразных сред [1-5]. В отраженном свете при углах падения, больших критического, появляется нарушенное полное внутреннее отражение (НПВО) с резонансной зависимостью коэффициента отражения R от угла падения или длины волны. Интересно проанализировать трансформацию кривых R для различных комбинаций тонкой металлической пленки с диэлектрическими слоями. При добавлении диэлектрических слоев резонансные эффекты могут быть усилены.

60 лет назад был предложен метод контроля промежуточного слоя металл - диэлектрического интерференционного фильтра типа Фабри-Перо в проходящем свете [3]. Схема контроля Гринланда и Биллингтона включала стеклянную призму с полупрозрачным (Т=4%) слоем серебра на гипотенузной грани, на которую наносился слой ZnS. В отраженном s- и p-поляризованном свете наблюдалась полоса поглощения, спектральное положение которой изменялось при росте толщины слоя ZnS. Эта схема соответствует схеме Кречмана. Далее поверх слоя ZnS наносился вновь слой серебра, и наблюдалось смещение полосы с R_min в красную область спектра с увеличением толщины слоя серебра. Эта схема соответствует уже объединению конфигураций Кречмана и Отто.

В работе [5] рассмотрена подобная конфигурация, в которой скомбинированы схемы Кречмана и Отто - с полупрозрачной пленкой серебра толщиной 55 нм на призме, воздушным промежутком и подвижным непрозрачным серебряным зеркалом. Экспериментально зафиксирована сильная зависимость коэффициента отражения p - поляризованного света от изменения толщины воздушного промежутка.

металл диэлектрический отражение пленка

В данной работе проводится анализ некоторых вариантов металл - диэлектрической структуры с двумя металлическими пленками для сенсорных применений.

Рассмотрим конфигурацию, объединяющую схемы Кречмана и Отто (рис. 1). На гипотенузную грань кварцевой призмы (n_g=1.46) нанесена прозрачная алюминиевая пленка M₁ толщиной 7 нм. К пленке прилегает слой жидкости (n_m=1.33). Далее находится более толстая алюминиевая пленка M₂ (она может быть непрозрачной) на подложке (n₀ =1.46). Здесь в расчетах толщина пленки M₂ равна 35 нм. Толщина слоя воды во всех расчетах равна 5.48 (в долях толщины л₀/4). Толщина оптимизирована для получения минимума коэффициента отражения р-поляризованного света R_p при угле падения 45.0°.

Проанализируем некоторые особенности этой схемы. Вначале рассмотрим угловые характеристики. На рис. 2 показана зависимость R_p от угла по схеме Отто. В этом случае пленка M₁ отсутствует. Значение минимума R_p =16.7% достигается только при угле 68°. Если добавить пленку M₁ и перейти к схеме Кречман - Отто, то получим два минимума R_p и R_s, как показано на рис. 3. При угле и=45.0° R_pмин =0.35% и при угле 66.4° R_pмин =0.13%. Минимумы R_s расположены при углах 42° и 59°. Из этих двух рисунков следует, что по сравнению со схемой Отто объединенная геометрия Кречман - Отто имеет преимущество в разнообразии угловых зависимостей и допускает проводить измерения при меньших углах падения. На рис. 3 показан также сдвиг кривых вправо на 0.5° для угла 45° при изменении показателя преломления жидкости с 1.33 на 1.34.

Далее рассмотрим спектральные характеристики металл - диэлектрической структуры при угле падения 45°. Двухслойная структура по схеме Кречмана [2], состоящая из алюминиевой пленки M₁ на кварцевой призме, прилегающего к M₁ слоя воды с d_m=5.48 и воздушной среды n₀=1.0, имеет характеристики, приведенные на рис. 4. Такая структура при замене воздуха кварцевой подложкой (с n₀=1.46) в данном спектральном диапазоне не будет иметь интерференционных экстремумов (на рис. 4 кривые R_s и R_p для этого случая показаны более слабыми линиями). Ситуацию можно исправить, если нанести на подложку алюминиевую пленку M₂ достаточной толщины (здесь она равна 35 нм), т.е. перейти к конфигурации Кречман - Отто. На рис. 5 штриховой и сплошной жирными линиями показаны спектральные зависимости R_s и R_p для этой конфигурации. Для схемы Отто, когда отсутствует пленка M₁, зависимости R_s(л) и R_p(л) показаны вверху тонкими штрихпунктирной и пунктирной линиями. Сравнение двух пар кривых свидетельствует о преимуществе геометрии Кречмана - Отто. На этом же рисунке показан сдвиг кривых при изменении показателя преломления жидкости с 1.33 на 1.34. Кривые сдвигаются вправо примерно на 8 нм в области 650 нм.

Результаты экспериментального исследования представлены на рис. 6. Для двух ортогональных поляризаций показаны расчетные и экспериментальные коэффициенты отражения от структуры, состоящей из тонкой алюминиевой пленки и диэлектрического многослойного покрытия ZnS в спектральном диапазоне 490-800 нм.

Пленки напылялись методом термического испарения. Процесс нанесения металлической (алюминий) пленки на гипотенузную грань призмы контролировался в р-поляризованном свете (л₀=650 нм) по коэффициенту отражения под углом 45 град., как показано на рис. 1. Нанесение алюминия велось до получения минимума коэффициента отражения. Затем наносился слой ZnS, контроль также велся по экстремумам отражения, нанесение было остановлено, когда был зафиксирован третий минимум.

В расчетах принималось, что толщина пленки алюминия равна 8.5 нм, а толщина слоя ZnS - 476 нм. Данные параметры были выбраны при численном моделировании процесса нанесения, чтобы в итоге получался минимум для P-поляризации на длине волны контроля. Константы металлической пленки n и k взяты из [6], где они даны для массивных металлов.

Как видно из рис. 6, получено качественное совпадение теоретических и экспериментальных кривых. Необходимо уточнять параметры алюминиевой пленки.

Экспериментальные спектры были получены с помощью спектрофотометра Shimadzu UV-2500 Центра коллективного пользования ИАиЭ СО РАН.

Синтезированные металл - диэлектрические структуры могут быть применены в волоконных сенсорных устройствах.

Литература

металл диэлектрический отражение пленка

Salamon Z., Macleod H.A., Tollin G. Coupled plasmon-waveguide resonators. //Biophysical Journal, 1997, v. 73, p. 2791-2797.

Голдина Н.Д. Расчет коэффициента отражения металл - диэлектрических структур при нарушенном полном внутреннем отражении. // Автометрия, 2009, т. 45, №6, с. 99-104.

Greenland K.M., Billington B.A.: The construction of interference filters for the transmission of specified wavelengths. //J. Phys. Rad., 1950. - 11. - P.418-421.

Курлов С.С., Поперенко Л.В., Лебедева Т.С., Шпилевой П.Б. Исследование возможностей применения двойного поверхностного резонанса в ППР-сенсорах. // Труды межд. конф. «Прикладная оптика», С-Петербург, 2008. - 2. - С. 237-41.

Wakamatsu T. Characteristics of metal enhanced evanescent-wave microcavities. //Sensors, 2010. - 10.

В.М. Золотарев, В.Н. Морозов, Е.В. Смирнов. Оптические постоянные природных и технических сред. Л.: Химия, 1984 г., 276 с.

Размещено на Allbest.ru