[논문 리뷰] Enhanced excitation and readout of plasmonic cavity modes in NPoM via SiN waveguides for on-chip SERS

V\'azquez-Lozano, J. Enrique, Baumberg, Jeremy J.외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 24.

Plasmonic and Surface Plasmon Research인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 질화물(SiN) 웨이브가이드를 사용하여 나노입자-거울(NPoM) 구조에서 플라스모닉 공진 모드를 자극하고 수집하는 칩 내 SERS 플랫폼을 제안한다. SiN 웨이브가이드에서 유도된 TM-가속 모드를 NPoM 공진 모드에 결합함으로써, 1 nm 이내의 서브-나노미터 간극에서 10⁵를 초과하는 강도 증폭을 달성하였으며, 횡방향 웨이브가이드로의 라만 신호 수집 효율이 최대 10%에 이를 정도로 높아졌으며, SiN의 라만 배경이 크게 감소되어 통합형 고감도 SERS 분광법이 가능해졌다.

ABSTRACT

Metallic nanoparticle-on-a-mirror (NPoM) cavities enable extreme field confinement in sub-nm gaps, leading to unrivaled performance for nonlinear processes such as surface-enhanced Raman scattering (SERS). So far, prevailing experimental approaches based on NPoMs have been performed by means of free-space light excitation and collection under oblique incidence, since the fundamental radiatively-coupled NPoM mode does not scatter in the normal direction. Retaining this working principle, here we numerically show that plasmonic cavity modes in NPoM configurations can be efficiently excited in an integrated SERS approach through TM guided modes of silicon nitride (SiN) waveguides. Intensity enhancements beyond 10$^{5}$ can be achieved for gap spacings around 1 nm. So as to reduce unwanted SiN Raman background, the output Stokes signals are transferred to transversely placed waveguides, reaching coupling efficiencies of up to 10%. Geometrical parameters such as the gap thickness as well as the radius and position of the nanoparticle provide full control over the main spectral features, thereby enabling us to engineer and drive the optical response of NPoMs for high-performance SERS in Si-based photonic integrated platforms.

연구 동기 및 목표

• 자유공간 조명의 제약을 극복하기 위해 SiN 웨이브가이드를 사용하여 NPoM 구조의 플라스모닉 공진 모드를 효율적으로 칩 내에서 자극하고 읽어내는 것을 목적으로 한다.
• 기존에 통합 플랫폼에서 약한 SERS 신호를 가리키는 SiN 웨이브가이드의 라만 배경 노이즈를 감소시키는 것을 목적으로 한다.
• 간극 크기, 나노입자 반지름, 위치 등의 기하학적 제어를 통해 NPoM의 옵티컬 응답을 능동적으로 토닝함으로써 최적의 SERS 성능을 달성하는 것을 목적으로 한다.
• 작고 CMOS 호환성 있는 광학 통합 회로 아키텍처에서 고강도 필드 농축과 효율적인 신호 수집을 실현하는 것을 목적으로 한다.

제안 방법

• 직사각형 횡단면(650 nm 폭, 220 nm 높이)을 가진 SiN 스트립 웨이브가이드에 결합된 NPoM 구조의 전자기적 응답을 모델링하기 위해 유한요소법(FEM)을 사용한 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• T자형 웨이브가이드 구조를 활용: 하나의 입력 웨이브가이드로 자극을 제공하고, 두 개의 대칭적인 횡방향 웨이브가이드로 스토크스 신호를 수집하여 신호 대 노이즈 비율을 향상시켰다.
• SERS 방출을 시뮬레이션하기 위해 서브-나노미터 간극 내에 점 전기 dipole 소스를 사용하였으며, NPoM 공진 모드는 SiN 웨이브가이드의 TM-가속 모드에 의해 자극되었다.
• 입력 경로의 잔여 라만 배경을 억제하기 위해 자극 웨이브가이드와 평행한 보조 웨이브가이드를 도입하였다.
• 결합 및 증폭 최적화를 위해 간극 두께(1–5 nm), 나노입자 반지름(20–60 nm), 횡방향 위치를 일련로 변화시켜 기하학적 매개변수를 파arametric 스윕 방식으로 조정하였다.
• 강도 증폭 인자, β-요소(수집 효율), dB 단위로 표현된 신호 대 노이즈 비율 향상도 등의 성능 지표를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SiN 웨이브가이드의 TM-가속 모드가 NPoM 구조의 기본 플라스모닉 공진 모드를 칩 내 SERS에 대해 효율적으로 자극할 수 있는가?
• RQ2 횡방향 웨이브가이드는 NPoM 간극에서 증폭된 스토크스 신호를 어느 정도 수집할 수 있으며, 달성 가능한 결합 효율은 얼마인가?
• RQ3 SiN 웨이브가이드에서 유래하는 라만 배경은 신호 검출에 어떤 영향을 미치며, 통합 설계에서 효과적으로 억제될 수 있는가?
• RQ4 간극 크기, 나노입자 반지름, 위치와 같은 기하학적 매개변수를 통해 NPoM 공진 모드의 스펙트럼 응답과 증폭 인자를 능동적으로 조절할 수 있는가?

주요 결과

• SiN 웨이브가이드의 TM-가속 모드에 의해 자극되었을 때, 간극 간격이 약 1 nm인 NPoM 공진 모드에서 10⁵를 초과하는 강도 증폭이 달성되었다.
• 횡방향 웨이브가이드로의 라만 자극 스토크스 신호의 결합 효율은 최대 10%에 이르렀으며, 이중 경로 수집 덕분에 총 신호 대 노이즈 비율 향상이 약 10 dB에 달했다.
• T자형 웨이브가이드 아키텍처를 통해 입력 경로에서의 SiN 라만 배경이 약 6 dB 감소되었으며, 대부분의 신호가 입력 경로에서 벗어나도록 유도되었다.
• β-요소(수집 효율)는 나노입자 반지름과 간극 두께를 조절함으로써 넓은 범위에서 조절 가능했으며, 특정 조합에서 최적의 성능이 관찰되었다.
• 광역대 응답을 보이며, 성능이 주로 좁은 스펙트럼 민감도가 아닌 기하학적 설계에 의해 결정됨을 시사한다.
• 제안된 아키텍처는 NPoM 기하학적 구조의 정밀한 공학을 통해 주요 스펙트럼 특성, 즉 피크 파장과 증폭 크기를 전면적으로 제어할 수 있음을 보여주었다.