Excitation bidimensionnelle d'ondes de surface de Bloch basée sur un couplage de réseaux de trous pour une biodétection hautement sensible

Contexte

Les dispositifs photoniques spécialement conçus représentent la possibilité de détection sélective en temps réel et sans marquage de diverses espèces chimiques et biologiques pour une variété d'applications de recherche médicale et de surveillance environnementale et en particulier pour la détection optique de quantités infimes de molécules dans des solutions hautement diluées [1 ,2,3]. Indices de résonance de mode de surface optique tels que les polaritons de plasmon de surface (SPP) [4,5,6], microcavité [8,1%) photovoltaïque organique semi-transparent et coloré. Adv Funct Mater 28(7):1703398" href="/articles/10.1186/s11671-019-3159-8#ref-CR7" id="ref-link-section-d213170396e647">7], résonance en mode guidé [ 8, 9] et les ondes de surface de Bloch (BSW) [10,11,12,13] peuvent être utilisées pour distinguer les modulations généralement faibles des paramètres optiques reflétant une concentration donnée de biomolécule [14, 15].

La technologie de détection basée sur la résonance des ondes de surface la plus populaire est la méthode de résonance de plasmon de surface (SPR) [4, 16] qui fonctionne en excitant les polaritons de plasmon de surface le long d'une interface métal/diélectrique par la lumière incidente. Malheureusement, la SPR ne peut être excitée que par la lumière magnétique transversale et l'absorption accompagnée d'une forte dispersion est inévitable dans les composants métalliques. La sensibilité des biocapteurs SPR est généralement de l'ordre de plusieurs centaines de nanomètres par unité d'indice de réfraction (nm·RIU ⁻¹ ) [17, 18].

BSW est une alternative prometteuse aux SPP. La technologie BSW basée sur la structure tout diélectrique à faible perte optique a une sensibilité plus élevée et une amélioration du champ réglable que les autres ondes de surface et peut être combinée avec différentes méthodes de modification chimique de surface et mécanismes de détection optique [19,20,21]. De nombreux chercheurs ont démontré expérimentalement et théoriquement la supériorité des capteurs BSW sur les capteurs SPP [22, 23]. La sensibilité à la longueur d'onde des capteurs 1D-BSW dans une configuration de Kretschmann est de plusieurs milliers de nm·RIU ⁻¹ [24, 25]. Des chercheurs récents [26] ont démontré une excitation BSW à base de fibre pour la détection RI avec une sensibilité d'environ 650  nm/RIU pour p -lumière polarisée et 930 nm/RIU pour s -lumière polarisée. La plupart des capteurs à base de cristal photonique 1D (1DPC) utilisent des structures complexes couplées à des prismes de Kretschmann pour exciter le BSW. Peu de chercheurs ont exploré les capteurs BSW à couplage de réseau ou d'autres nouvelles conceptions pour réduire la complexité des composants optiques en vrac. Vijay et al. [27] ont signalé une sensibilité accrue dans un profil de réseau de couche supérieure évalué via une interrogation azimutale ; le mode de fuite BSW est principalement localisé à l'intérieur de rainures très étroites dans lesquelles les biomolécules ne pénètrent pas facilement.

Les dispositifs à réseau bidimensionnel (2D) [28,29,30] ont un potentiel intéressant en tant que capteurs RI miniatures en raison de leurs grandes zones de détection et de leur relative facilité de fabrication. Cet article propose un schéma d'excitation alternatif basé sur le mécanisme de couplage de réseau 2D. Un BSW est réalisé du côté du réseau en déposant des matrices de trous d'air sur la surface d'un miroir de Bragg, qui supporte le BSW des deux côtés. Ici, nous présentons une configuration pour démontrer simplement la possibilité de coupler un BSW sur la pointe de la structure de miroir de Bragg couplée au réseau, ainsi qu'un schéma alternatif qui démontre l'influence de la perte diélectrique disponible. Nous avons comparé les performances optiques des configurations de capteurs pour l'excitation BSW à différents emplacements, comme expliqué en détail ci-dessous.

Méthodes

Cas 1 :Configuration BSW à réseau de diffraction de surface (DG-BSW)

Un diagramme schématique de la configuration du réseau de diffraction de surface BSW est illustré à la Fig. 1. L'angle d'incidence θ (angle entre le faisceau incident et Z -axe) et l'angle d'azimut φ (angle entre le X négatif -axe et la projection du faisceau incident dans le x–y plan) sont utilisées pour décrire la direction de propagation de la lumière incidente. Dans les calculs numériques, nous avons utilisé un DBR (LH) à cinq périodes ⁵ où les diélectriques L ont un RI de 1,46 (SiO₂ à la longueur d'onde de travail de λ ₀ = 657 nm) et les couches H sont en TiO₂ avec le RI de 2,57. Les RI des deux TiO₂ et SiO₂ sur la plage de 0,43 à 0,8 μm sont exprimés comme [27] :

et

Conception BSW à réseau de diffraction de surface en (x -y -z ) système de référence. La structure comprend un DBR à quelques périodes, une couche tampon et un réseau 2D. Le couplage est médié par un réseau de diffraction 2D de période Λ = 510 nm, rayon du trou r = 145 nm, et épaisseur h = 116 nm. Le milieu externe est supposé être de l'air (n _poste = 1)

Les parties imaginaires des indices de réfraction se réfèrent aux pertes dans les couches diélectriques. Ces pertes incluent l'absorption intrinsèque du matériau et les pertes de diffusion dans la lumière incidente (\( {\upgamma}_{{\mathrm{SiO}}_2}=0 \) et \( {\upgamma}_{{\mathrm{ TiO}}_2}={10}^{-4} \), dans ce travail). Le DBR peut être dimensionné en conséquence comme un empilement quart de longueur d'onde pour un angle d'incidence à la longueur d'onde opérationnelle. Les épaisseurs des couches correspondantes sont respectivement d _L = 100 nm et d _H = 70 nm.

Pour fabriquer le capteur BSW à réseau de diffraction de surface, une couche de 116 nm d'épaisseur de nitrure de silicium (Si₃ N₄ ) a été déposé sur le DBR avec un motif de trous d'air [31, 32] pour former la couche de réseau. Une couche tampon de 60 nm qui est également constituée de composites à faible indice de réfraction (SiO₂ ) a été inséré entre le miroir de Bragg et le réseau de trous sous la longueur d'onde. La couche de réseau est conçue pour coupler les illuminations de propagation au mode BSW. Comme décrit ci-dessus, le réseau est essentiellement un réseau périodique 2D de caractéristiques structurelles constitué de trous d'air. Dans les simulations numériques décrites ci-dessous, seules les dimensions physiques du réseau (période Λ , rayon du trou r , et épaisseur h ) ont été ajustés pour exciter BSW dans différentes conditions d'éclairage et pour optimiser les profils de réflexion.

Sous le réseau de trous optimisé, lorsque BSW est excité, la réflexion de la configuration réseau-Bragg forme des profils de résonance Fano typiques [33] avec des pics nets. Les emplacements des pics indiquent le RI de la région à sonder. Le processus de fabrication est simple et compatible avec les technologies de fabrication MEMS existantes, ce qui rend le dispositif proposé réalisable en masse et facilement intégré dans des biopuces pour une détection multiplexée à faible coût. Nous avons effectué les calculs décrits ici avec Diffract MOD intégré dans RSoft Photonics Suite, qui est basé sur la méthode rigoureuse d'analyse des ondes couplées (RCWA) [34, 35] et contient plusieurs algorithmes avancés avec des harmoniques de Fourier qui décrivent les fonctions diélectriques périodiques.

La figure 2 montre la distribution de champ électrique simulée pour s -lumière polarisée lorsque le RI environnant est 1. La ligne pointillée sur la figure 2 marque l'interface réseau-air ; z = 0 est l'autre surface latérale du capteur BSW à réseau de diffraction. Comme le montre la figure, le champ électrique est fortement renforcé près de l'interface et la profondeur de pénétration BSW atteint près de 200  nm dans l'air. L'intensité du champ local est 42 fois l'intensité lumineuse incidente maximale à un angle polaire de θ = 4.3° et domaine d'angle azimutal d'environ φ = 12°.

Distribution de champ électrique calculée pour s -lumière polarisée à la résonance où l'onde de surface est excitée sur la surface supérieure uniquement. La ligne pointillée blanche représente le réseau 2D, la couche tampon et les couches DBR. L'intensité du champ du mode BSW (région jaune) est concentrée dans les trous d'air

Bien que la structure proposée puisse, théoriquement, fournir une excitation BSW dans le mode de réseau de diffraction de surface, il existe des effets liés au processus de détection qui méritent un examen attentif. Comme le montre la figure 2, le champ intense est concentré dans les petites ouvertures du réseau de trous. L'analyte dans l'air ne peut pas facilement pénétrer dans les trous de petite taille, se rassemblant ainsi au-dessus de la grille. La diminution de la concentration en analyte dans les trous entraîne une petite perturbation de l'indice de réfraction, ce qui réduit la limite de détection et la sensibilité du capteur BSW. L'intégration d'un dispositif d'éclairage par lumière incidente et d'une couche de détection rend également difficile la fabrication de capteurs sur puce; en outre, il est très difficile d'estimer l'interaction entre eux. Nous avons exploré une configuration alternative pour surmonter ces inconvénients tout en conservant la distribution du champ électrique en décroissance exponentielle.

Cas 2 :Configuration alternative du BSW couplé à un réseau guidé (GC-BSW)

Dans le schéma proposé, la région de détection est maintenant déplacée vers le bas du capteur BSW couplé au réseau, évitant ainsi tout effet néfaste lié à la pénétration de la structure du réseau en surface (Fig. 3). Les matériaux du DBR, de la couche tampon et du réseau sont similaires à ceux décrits ci-dessus. Contrairement au capteur DG-BSW, celui du bas TiO₂ l'épaisseur de la couche a été réduite de 70 à 30  nm.

Schéma 3D du capteur de résonance BSW couplé à un réseau sous des éclairages azimutaux (φ ) dans (x -y -z ) système de référence incluant l'angle d'incidence (θ _inc ), réflexion d'ordre zéro (R ₀ ), et les paramètres du réseau 2D (Λ , r , h ). La zone de détection est située au bas du capteur BSW couplé au réseau

Nous avons placé une couche de biosolution avec un RI proche de 1,333 (eau pure) adjacente à l'indice de réfraction le plus élevé (TiO₂ ) dont l'épaisseur de la zone à sonder est de 2 µm. Nous n'avons pas eu besoin de contrôler précisément l'épaisseur de la couche de détection dans ce cas, car la surface extérieure de la région sondée n'affecte pas de manière significative l'excitation du mode BSW. La résonance est formée comme s - la lumière polarisée tombe incidente sur le DBR à travers le réseau à un certain angle, et des réflexions multiples se produisent au niveau de la couche de défaut inférieure formée par la solution à tester. La structure de l'état de défaut de surface modifie la distribution du champ électromagnétique sur le fond du DBR en raison de la résonance des ondes de surface, et de multiples réflexions dans la couche de défaut forment une interférence cohérente. Le champ électromagnétique est localement renforcé et peut agir pleinement sur les molécules de l'échantillon à tester.

Nous avons constaté que les caractéristiques de sensibilité lors de la surveillance dynamique de la solution à tester peuvent être améliorées par le schéma proposé. Semblable aux SPP, les BSW sont localisés au bord de troncature du 1DPC, à l'interface avec le support externe. Les paramètres de conception du réseau 2D sont les mêmes dans le schéma proposé que la configuration précédente (DG-BSW) :Λ = 510 nm, r = 145 nm, et h = 116 nm. Comme discuté en détail ci-dessous, nous avons comparé les caractéristiques des systèmes multicouches diélectriques résonnants DG-BSW et GC-BSW. Notre conception de grille à matrice de trous réduit non seulement les coûts de fabrication, mais fournit également un environnement relativement équitable pour la comparaison des performances des capteurs.

Résultats et discussion

Nous avons conçu des structures BSW optimisées dans les deux ensembles de conditions de détection, comme illustré sur les Fig. 1 et 3 avec s -lumière polarisée dans les deux cas. Les courbes de réflectivité de ces modes en fonction de l'angle d'incidence et de la longueur d'onde sont représentées sur les figures 4a et b, respectivement. Les boîtiers DG-BSW et GC-BSW ont des caractéristiques de résonance nettes à leur excitation en fonction à la fois de l'angle et de la longueur d'onde. Dans le dispositif DG-BSW, lorsque la longueur d'onde incidente est d'environ 660  nm, un pic de chute pointu est apparu à θ = 4.3° par interrogation d'angle incident. Dans le dispositif GC-BSW, l'angle de résonance θ = 7° correspond à une longueur d'onde incidente de 633 nm. Nous avons constaté que bien qu'un pic de résonance avec un facteur de qualité plus élevé Q (>10 ³ ) peut être obtenue en optimisant les paramètres de l'appareil, la sensibilité à la longueur d'onde et la sensibilité à l'angle du capteur BSW n'ont atteint qu'environ 100  nm/RIU et 280°/RIU sous des éclairages non azimutaux. Nos simulations 3D RCWA sont cohérentes avec la littérature [24]. Nous avons pris en considération la nouvelle liberté de conception, l'angle azimutal φ , en conséquence.

Onde de surface de Bloch à φ = 0°. Les courbes bleues et rouges représentent la réflectance BSW en fonction de l'angle d'incidence (a ) et la longueur d'onde (b ) pour les configurations DG-BSW et GC-BSW, respectivement

La réflexion simulée du capteur GC-BSW conçu pour fonctionner à proximité de θ = 7° et φ =10° est indiqué sur la figure 5a. Le couplage BSW se produit dans des zones très étroites avec une intensité de réflexion relativement faible (régions blanches sur la figure 5a). Chaque angle polaire a un angle azimutal correspondant qui satisfait aux conditions d'appariement pour exciter le BSW. Le mode BSW dans l'hétérostructure décroît lentement à mesure que les angles polaires et azimutaux augmentent, puis disparaît près de θ = 7.6° et φ = 12°. Compte tenu de la difficulté de la surveillance à petit angle, nous avons choisi un angle relativement grand pour coupler le BSW. Le pic de résonance est insensible aux changements d'angle polaire mais très sensible aux changements d'angle azimutal. Nous avons calculé la distribution du champ électrique du point d'échantillonnage (θ = 7°; φ = 9.82°) pour reconnaître la résonance (Fig. 5b). L'intensité diminue vers l'interface réseau/air et le champ oscille plusieurs fois tout au long de la structure périodique et cinq pics se forment dans l'interface diélectrique d'indice de réfraction L-H. La ligne pointillée vert clair sur la figure 5b représente la distribution de l'indice de réfraction du capteur GC-BSW dans le Z -direction de l'axe. Nous avons constaté que l'intensité du champ magnétique dans la bio-solution diminue progressivement le long du Z -direction, car l'interaction entre la lumière et la solution diminue avec la distance de la couche tronquée. La profondeur de pénétration BSW a atteint 2 μm à l'intérieur de la solution, ce qui est dix fois plus important que dans la configuration DG-BSW.

un Réflexion du capteur GC-BSW par rapport aux angles azimutal et polaire. BSW créé par illuminations (λ ₀ = 633 nm) près de θ = 7° et φ = 10°. Le couplage BSW se produit dans des zones très étroites (région blanche) avec une intensité de réflexion relativement faible. b Champ électrique (ligne noire) et distribution de l'indice de réfraction (ligne pointillée vert foncé) à l'intérieur des configurations de détection (mode cas 2). c x -y d x -z vues en plan de la carte de l'amplitude du champ électrique, calculée à la longueur d'onde opérationnelle λ ₀ = 633 nm. La ligne pointillée blanche indique l'emplacement des trous dans le champ électrique

Les figures 5c et d montrent des cartes de magnitude de champ électrique dans x -y et x -z plans, respectivement, calculés à la longueur d'onde opérationnelle λ ₀ = 633 nm . Les résultats des figures 5b et d sont en accord étroit. La distribution du champ à la solution/TiO₂ L'interface affecte largement les performances globales du capteur GC-BSW grâce à l'intégrale de chevauchement entre le champ évanescent et la distribution spatiale de la constante diélectrique de la région de détection. Nous avons étudié les effets de l'angle polaire sur les spectres de réflexion azimutale dans la configuration GC-BSW en testant les angles polaires θ de 6,92°, 6,94°, 6,96°, 6,98°, 7° et 7,02°. Pour évaluer la sensibilité élevée, nous avons également déterminé la pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) du creux de résonance et la hauteur du pic de creux. Comme le montre la figure 6, des formes de lignes symétriques typiques ont émergé comme l'angle azimutal θ augmenté. La hauteur du pic de résonance augmentait à mesure que le pic de résonance FWHM diminuait. À un angle polaire plus grand, la résonance BSW s'est déplacée vers un angle azimutal plus grand en raison de l'effet d'adaptation du vecteur d'onde.

Spectres de réflectance azimutale pour différents angles d'incidence θ . Des formes de lignes symétriques typiques apparaissent sous la forme d'un angle azimutal θ augmente. Les résonances BSW se déplacent vers des angles azimutaux plus élevés en raison de l'effet de correspondance du vecteur d'onde

Les matériaux sans perte (c'est-à-dire ceux avec des valeurs nulles pour les coefficients d'extinction κ) sont supposés dans la plupart des simulations numériques [24, 25, 30]. Sinibaldi et al. [36] ont étudié l'influence des pertes de matière sur les performances des capteurs BSW pour trouver que le coefficient d'extinction des couches à haut indice κ_H n'affecte que légèrement les caractéristiques de résonance; ils ont introduit une extinction κ_L = 10 ⁻⁴ aux couches à bas indice calculés par la méthode de la matrice de transfert (TMM). Des matériaux avec pertes sont nécessaires pour observer un creux dans le spectre de réflectance [22].

Pour étudier l'influence de la perte, nous avons évalué les spectres de réflexion azimutale des structures DG-BSW et GC-BSW (Figs. 1 et 3) avec et sans considérer la perte comme le montre la Fig. 7. Dans notre cas, TiO₂ les matériaux peuvent exciter le pic d'immersion BSW dans le spectre de réflexion. Les pertes dans le DBR dégradent la forme de la ligne BSW obtenue dans le cas sans perte. Nous avons analysé l'effet de perturbation induit par des valeurs non nulles pour sur les résonances. Dans le cas DG-BSW, la FWHM des résonances a d'abord diminué puis augmenté à mesure que le coefficient d'extinction passait de 0 à 10 ⁻³ , tandis que la profondeur de résonance a fait le contraire. Nous avons obtenu la forme optimale de la ligne de résonance BSW lorsque le coefficient d'extinction a atteint 10 ⁻⁴ . La résonance a rapidement chuté à mesure que les coefficients augmentaient encore (κ_H = 10 ⁻² ). Dans la configuration GC-BSW, la largeur de ligne augmentait lentement comme κ_H augmenté de même que la valeur de crête de résonance BSW. Le creux de résonance s'est élargi à mesure que les pertes d'énergie dans le biocapteur augmentaient.

un Variations de la forme de la ligne de résonance pour la configuration DG-BSW et les coefficients d'extinction κ_H = 0 (sans perte), 2 × 10 ⁻⁴ , 10 ⁻⁴ , 10 ⁻³ , 10 ⁻² . b Variations pour la configuration GC-BSW. TiO sans perte₂ les matériaux excitent le pic d'immersion BSW dans le spectre de réflexion. Les valeurs du coefficient d'extinction suppriment le bord de la bande de résonance BSW

Nos résultats suggèrent que TiO sans perte₂ les matériaux donnent une résonance BSW optimale. Lorsque l'on considère la perte, une partie imaginaire aussi grande que 10 ⁻³ peut supprimer l'amplitude de la réflexion et le Q de la résonance sans affecter la position du pic. Nos simulations ont également montré que les valeurs du coefficient d'extinction jouent un rôle essentiel dans la détermination du compromis optimal entre la profondeur et la largeur (c'est-à-dire FWHM) de la résonance BSW.

L'objectif principal de cette étude était d'établir un schéma de conception pour les plates-formes de détection sans étiquette basées sur un réseau 2D pour exciter les BSW, nous continuons donc à explorer les emplacements de détection afin d'optimiser et d'améliorer ses performances en tant que capteur RI. Les biocapteurs RI sont généralement conçus pour détecter de petites modulations d'indice de réfraction causées par des variations dans les rapports de concentration de biomolécules. Nous considérons donc la sensibilité azimutale (\( {\mathrm{S}}_{n_{\mathrm{bio}},\varphi } \)) une observable significative :

où Δφ est le changement d'angle azimutal et Δn _bio est la variation de l'indice de réfraction de la couche de détection. Les courbes de réflectivité en fonction de l'angle azimutal pour différentes valeurs de biomolécule sont présentées sur la figure 8. Pour la configuration DG-BSW, la longueur d'onde (λ ₀ ) et l'angle d'incidence (θ ) sont fixés respectivement à 657 nm et 4,3° (Fig. 8a); pour la configuration GC-BSW, λ ₀ = 633nm et θ = 7° (Fig. 8b). Lorsque l'indice de réfraction des biomolécules change de manière uniforme, la résonance BSW atteint un décalage vers le bleu dans les deux cas. C'est-à-dire un petit changement dans la valeur de l'indice de réfraction (Δn _bio = 0,0005) provoque l'augmentation du décalage angulaire azimutal entre les pics de résonance aux petits angles azimutaux.

Courbes de réflectivité en fonction de l'angle azimutal pour différentes valeurs de solution. un Configuration DG-BSW, où la longueur d'onde (λ ₀ ) et l'angle d'incidence (θ ) sont fixés à 657 nm et 4,3°; b pour la configuration GC-BSW, λ ₀ = 633 nm et θ = 7°

Nous avons également comparé les caractéristiques de détection des configurations DG-BSW et GC-BSW pour prédire la sensibilité (barre noire) et la FWHM (barre rouge) comme le montre la figure 9 en fonction de l'indice de réfraction environnant (SRI). Nous avons constaté que la sensibilité et la FWHM augmentaient de manière monotone à mesure que les variations de biomolécules augmentaient. La sensibilité de la configuration GC-BSW était environ le double de celle du DG-BSW, tandis que la FWHM des résonances était plus étroite dans GC-BSW que DG-BSW.

Caractéristiques de détection du DG-BSW (a ) et GC-BSW (b ) configurations :sensibilité prédite et FWHM en fonction du SRI. La sensibilité de la configuration du GC-BSW est environ le double de celle du DG-BSW

La figure de mérite (FOM) [25] est un autre indicateur de performance important du capteur. Le FOM peut être amélioré dans le capteur RI en diminuant FWHM, en augmentant la sensibilité spectrale S [°/RIU], ou les deux, comme FOM∝S/FWHM. Le FOM de nombreux capteurs optiques est limité par un compromis intrinsèque entre la sensibilité spectrale et la FWHM. La sensibilité azimutale a atteint 1190°/RIU pour le cas DG-BSW et 2255°/RIU pour le GC-BSW à l'extension maximale (Eq. (3)). Cela implique que le capteur GC-BSW a un chevauchement plus étroit entre le mode de résonance et la couche de détection que DG-BSW. Les calculs supportent également les résultats montrés dans les Figs. 2 et 5b, où la couche de détection du GC-BSW a une profondeur de pénétration du champ lumineux plus élevée conduisant à une sensibilité plus élevée que DG-BSW.

Il convient de noter que la sensibilité des deux configurations BSW que nous avons testées est supérieure d'un ordre de grandeur à celle du schéma à prisme conventionnel (voir Tableau 1). Contrairement à toute conception de biocapteur basée sur une excitation couplée à un prisme, il n'y a pas de limite d'indice de réfraction stricte pour le composite diélectrique utilisé dans les configurations DG-BSW ou GC-BSW [37,38,39,40,41,42]. En mettant à l'échelle correctement les paramètres du réseau 2D et du DBR, les configurations de capteur proposées peuvent être réalisées efficacement dans n'importe quelle plage de longueurs d'onde.

Conclusions

Dans cette étude, nous avons exploré les configurations de réseau 2D de diffraction de surface et les applications de détection. Nous avons construit une hétérostructure diélectrique multicouche à partir d'un réseau de trous sous-longueur d'onde et d'une réflexion de Bragg distribuée (DBR) avec peu de périodes (N = 5) pour réaliser des résonances BSW à haute sensibilité avec de faibles bandes latérales. Une configuration DG-BSW de surface et un schéma GC-BSW guidé alternatif ont été conçus sur la base de la méthodologie RCWA. Une sensibilité théorique de 2255°/RIU a été atteinte avec un petit angle polaire de l'éclairage (< 10°) et des balayages d'angle azimutaux autour des mêmes valeurs. La sensibilité angulaire était d'un ordre supérieure à celle des capteurs basés sur des éclairages polaires couplés à des prismes (généralement pas plus de 300°/RIU). Le capteur GC-BSW optimisé a montré une augmentation particulièrement importante de la sensibilité (double) et une résonance BSW plus étroite par rapport au biocapteur DG-BSW. Les deux plates-formes de capteurs couplées à un réseau 2D testées dans cette étude présentent un faible facteur de qualité par rapport aux capteurs BSW RI traditionnels, mais elles peuvent être améliorées en réglant la période (Λ ), rayon du trou (r ), et l'épaisseur (h ).

Les schémas proposés pour les ondes de surface de Bloch passionnantes, DG-BSW et GC-BSW, représentent de nouvelles configurations compactes de classe pour la biodétection hautement sensible et peuvent offrir une opportunité précieuse de concevoir des technologies « laboratoire sur puce » à l'échelle nanométrique à l'avenir.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

Abréviations

1DPC :

Cristal photonique 1D

2D :

Deux dimensions

BSW :

Ondes de surface de Bloch

DBR :

Réflecteurs de Bragg distribués

DG-BSW :

Réseau de diffraction BSW

FOM :

Figure de mérite

FWHM :

Pleine largeur à mi-hauteur

GC-BSW :

BSW couplé à un réseau

Q :

Facteur de qualité

RCWA :

Analyse rigoureuse des ondes couplées

RI :

Indice de réfraction

S :

Sensibilité

SPP :

Polaritons de plasmons de surface

SPR :

Résonance plasmonique de surface

TMM :

Méthode de la matrice de transfert