λ³/1000 Plasmonic Nanocavities for Biosensing Fabricated by Soft UV Nanoimprint Lithography

Abstract

Arrays of plasmonic nanocavities with very low volumes, down to λ(3)/1000, have been fabricated by soft UV nanoimprint lithography. Nearly perfect omnidirectional absorption (3-70°) is demonstrated for the fundamental mode of the cavity (λ ≃ 1.15 μm). The second-order mode exhibits a sharper resonance with strong angular dependence and total optical absorption when the critical coupling condition is fulfilled (45-50°, λ ≃ 750 nm). It leads to high refractive index sensitivity (405 nm/RIU) and figure of merit (∼21) and offers new perspectives for efficient biosensing experiments in ultralow volumes.

Plasmonic gold mushroom arrays with refractive index sensing figures of merit approaching the theoretical limit

“…By lifting metal nanostructures above substrates with dielectric pillars, the index sensitivity of the resultant LSPR sensors can be increased because a large fraction of the spatial region with enhanced electric fields is exposed to the environment and accessible by molecular species 10,11 . More efforts have been made to reduce the FWHM values of LSPRs and therefore increase the FOM values [12][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22][23][24][25][26][27][28] . An effective approach for reducing the FWHM values is to couple a LSPR with a different resonance mode that possesses a smaller FWHM.…”

“…The diffractive coupling among periodically arranged metal nanoparticles has been shown to give lattice plasmon resonances with FWHM values below 10 nm (refs 19-21). In addition, the FWHM and sensing capability of LSPRs can also be improved by coupling them with photonic microcavities [22][23][24][25] . Apart from monitoring the spectral shifts caused by small changes in the refractive index of the local surrounding environment, intensities 26 and phases 27 have also been examined to improve the sensing performance of LSPR sensors.…”

L’optofluidique, l’optique et la fluidique intégrée sur puce

“…Comparativement aux capteurs classiques à plasmons de surface (SPR), ils offrent la possibilité de sonder des surfaces très faibles et donc de détecter des molécules uniques. C'est la raison pour laquelle, nous avons développé un capteur LSPR à géométrie tri-couche originale [5], où la couche supérieure est constituée d'un réseau de structures imprimées en or (figure 8, image du haut) pour un volume actif de détection réduit à λ 3 /1000. Nous avons montré expéri-mentalement que ces nanoantennes plasmoniques présentent une absorption très élevée dans l'infra-rouge (jusqu'à 98 % -mode fondamental -pic à λ=1,15 μm dans la figure 9) pour n'importe quel angle d'incidence et indépendamment de la polarisation, ce qui traduit un couplage parfait dans la nanocavité.…”

“…À la résonance fine du mode de deuxième ordre, nous avons mesuré la sensibilité du capteur au changement d'indice optique, suite à une injection d'eau puis à une injection d'un mélange eau-alcool dans le circuit fluidique. Ce capteur présente une sensibilité de 405 nm/RIU associée à un facteur de mérite (FOM=sensibilité/ largeur à mi-hauteur) de 20, qui est 10 fois plus élevé qu'un capteur LSPR traditionnel [5]. Ce haut facteur de mérite associé à une absorption optique quasi-totale ouvre de nouvelles perspectives pour la bio-détection effectuée dans de touts petits volumes.…”

Four-Headed Arrow Shaped Dual Band Perfect Absorbers for Biosensing Applications

“…The possibility of perfect absorption is revealed by appropriately engineering the electric and magnetic response of the incident field in gigahertz regime [7,8]. The PAs are composed of periodically arranged resonant metallic nanoparticles and thin metal layer separated by a dielectric spacer [2,5,9]. There are many advantages of this kind of structures which include high absorptivity, small thickness, and low density [10].…”