臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要研究利用金屬/介電層/金屬結構之表面電漿提高表面電漿共振之生物醫療感測器的靈敏度，主要以定波長變角度、改變待測物折射率量測，以探討此結構對於不同待測物靈敏度的改變。
首先藉由模擬探討金屬/介電層/金屬結構與傳統單層金屬結構靈敏度的不同，由模擬的結果可以找出其最適厚度，並依據模擬結果製作樣品進行量測，從量測的結果可發現此樣品在待測物為去離子水的狀態下有剝落現象，故加入金屬鉻(Cr)增加其黏合性，其量測結果可發現與傳統單層金屬結構比較，其靈敏度較好。
在金屬/介電層/金屬結構中，因雙層金的表面電漿相互耦合會產生奇函數和偶函數兩個解，其中奇函數會再與金屬/待測物介面的表面電漿再度產生耦合現象，將其共振角逼近臨界角，以達到提高靈敏度之期望。

In this thesis, the main research of the sensitivity enhancement of surface plasmon resonance biosensors by Metal/Dielectric/Metal structure divided into angle-dependent reflectivity, the buffer-dependent reflectivity, to explore the sensitivity of the Metal/Dielectric/Metal structure.
First, we explore the simulation of the different sensitivity between Metal/Dielectric/Metal structure and single metal structure, we can find the better thickness of samples in which we can measure and simulated results based on samples made to measure. For enhance adhesion force of samples, we add Cr films to each interface of Metal/Dielectric/Metal structure.
We explore in the symmetrical structure of the Metal/Dielectric/Metal the surface plasma dispersion relationship curve will split off even and odd two solutions due to the coupling, the odd solution and the surface plasma of metal/buffer due to coupling again. The phenomenon causes its resonance angle approaching the critical angle to improve the sensitivity.

目錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
授權書 -iii-
誌謝 -iv-
中文摘要 -vi-
Abstract -vii-
目錄 -viii-
圖目錄 -x-
表目錄 -xiii-
第一章 導論 -1-
1.1 簡介 -1-
1.2 研究動機與目的 -2-
第二章 理論基礎 -4-
2.1 表面電漿共振原理 -4-
2.2 介電材料與金屬介面表面電漿模態 -6-
2.3 表面電漿激發方式 -9-
第三章 量測系統與實驗架構 -16-
3.1樣品之製備 -16-
3.2樣品製作流程 -16-
3.3全反射角量測與反射光強模擬 -19-
3.4儀器介紹 -30-
3.5實驗架設與量測設定 -31-
3.5.1儀器介紹 -31-
3.5.2機台程式撰寫及設定 -32-
第四章 實驗結果分析與討論 -36-
4.1金屬/介電層/金屬結構表面電漿耦合反射光模擬 -36-
4.2金屬/介電層/金屬結構表面電漿在不同待測物下量測 -41-
第五章 結論 -48-
參考文獻 -49-

圖目錄
Fig.2-1 表面電漿電場隨著遠離金屬與介電物質介面呈指數性遞減 -5-
Fig.2-2電磁波TM極化方向示意圖 -8-
Fig.2-3金屬表面電漿之色散關係曲線示意圖 -10-
Fig.2-4 (a)Kretschmann組態 (b)Otto組態 -12-
Fig.2-5 光柵耦合示意圖 -13-
Fig.2-6 光柵耦合激發表面電漿色散曲線圖 -14-
Fig.2-7 MDM耦合之結構示意圖 -15-
Fig.2-8 MDM結構耦合之色散曲線圖 -15-
Fig.3.2-1金屬/介電層/金屬(MDM)樣品示意圖 -18-
Fig.3.3-1 全反射角量測與計算示意圖 -20-
Fig.3.3-2 金的最佳之膜厚模擬 -23-
Fig.3.3-3金的最佳膜厚模擬dip位置 -23-
Fig.3.3-4模擬SF11-Au(38nm)/SiO2(300~320nm)/Au(40nm) -27-
Fig.3.3-5最佳厚度條件下(待測物為空氣)傳統結構與MDM結構之表面電漿反射光強頻譜模擬比較圖 -27-
Fig.3.3-6最佳厚度條件下(待測物為去離子水)傳統結構與MDM結構之表面電漿反射光強頻譜模擬比較圖 -28-
Fig.3.3-7最佳厚度條件下(待測物為空氣)模擬色散曲線關係圖 -28-
Fig.3.3-8最佳厚度條件下(待測物為去離子水)模擬色散曲線關係圖 -29-
Fig.3.5-1 實驗架設示意圖 -32-
Fig.3.5-2 Labview程式單軸設定頁面 -34-
Fig.3.5-3 Labview程式掃描設定頁面 -34-
Fig.3.5-4 Labview程式內部單軸撰寫 -35-
Fig.3.5-5 Labview程式內部掃描撰寫 -35-
Fig.4.1-1模擬SF11-Au(38nm)/SiO2(290~400nm)/Au(40nm)結構示意圖 -39-
Fig.4.1-2模擬SF11-Au(38nm)/SiO2(290~330nm)/Au(40nm)-water -39-
Fig.4.1-3模擬MDM結構最佳厚度之色散曲線圖 -40-
Fig.4.2-1樣品A在不同待測物下之量測結果 -43-
Fig.4.2-2樣品D在不同待測物下模擬與量測擬合之結果 -43-
Fig.4.2-3模擬加入Cr之MDM結構示意圖 -44-
Fig.4.2-4 樣品B、E(待測物為空氣)模擬與量測擬合之結果 -45-
Fig.4.2-5 樣品B、E(待測物為去離子水)模擬與量測擬合之結果 -45-
Fig.4.2-6樣品B、E(待測物為空氣)量測與模擬之色散曲線圖 -46-
Fig.4.2-7 樣品B、E(待測物為去離子水)量測與模擬之色散曲線圖 -46-
Fig.4.2-8樣品C、F(待測物為空氣)量測與模擬擬合之結果 -47-
Fig.4.2-9樣品C、F(待測物為空氣)量測與模擬之色散曲線圖 -47-

表目錄
表1 BK7、SF11在658nm波長其折射率表 -21-
表2 模擬與樣品量測擬合的厚度 -44-

[1] Wood. R., “On a remarkable case of uneven distribution of light in a diffraction grating spectrum”, Proceedings of the Physical Society of London, 18, 269-275, 1902.
[2] R. H. Ritchie, “Plasma Losses by fast electrons in thin films”, Physical Review, Vol. 106, pp. 847-881, 1957.
[3] Fano, U., “The theory of anomalous diffraction gratings and of quasi-stationary waves on metallic surfaces (Sommerfeld’s waves)”, Journal of the Optical Society of America 31 (3), 213-222, 1941.
[4] C.J. Powell and J.B. Swan, “Origin of the Characteristic Electron Energy Losses in Magnesium”, Physical Review, Vol.116, pp. 81-83, 1959.
[5] Andreas Otto, “Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection”, Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei 216 (4), 398-410, 1968.
[6] Kretschmann, E., “Die Bestimmung optischer Konstanten von Metallen durch Anregung von Oberflächenplasmaschwingungen”, Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei 241 (4), 313-324, 1971.
[7] F.-C. Chien, S.-J. Chen, “A sensitivity comparison of optical biosensors based on four different surface plasmon resonance modes”, Biosensors and Bioelectronics 20, 633-642, 2004.
[8] 吳民耀、劉威志，〈表面電漿子理論與模擬〉，《物理雙月刊》，第廿八卷第二期，2006年4月
[9] K. Matsubara, S. Kawata, and S. Minami, “A compact surface plasmon resonance sensor for measurement of water in process”, Applied Spectroscopy, Vol.42, pp. 1375-1379, 1988.
[10] R. C. Jorgenson and S. S. Yee, “A fiber-optic chemical sensor based on surface Plasmon resonance”, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 12, pp. 213-220, 1993.
[11] X. Sun, S. Shiokawa, and Y. Matsui, “Interaction of surface plasmons with surface acoustic waves and the study of the properties of Ag films”, Journal of Applied Physics, Vol. 69, pp. 362-366, 1991.
[12] P.D Gershon and S. Khilko, “Stable chelating linkage for reversible immobilization of oligohistidine tagged proteins in the BIAcore surface plasmon resonance detector”, Journal of Immunological Methods, Vol. 183, pp. 65-76, 1995.
[13] J. Homola, S. S. Yee, and G. gauglitz, “Surface plasmon resonance sensors: review”, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 54, No. 1, pp. 3-15, 1999.
[14] N.C. Chen, et al., “Excitation of surface plasma wave at TiN/air interface in the Kretschmann geometry”, Journal of Applied Physics 109, 043104 , 2011.
[15] H. Raether., “Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on grating”, New York, 1988.
[16] Hocheol Shin, et al., “Omnidirectional resonance in a metal-dielectric-metal geometry”, Applied Physics Letters 84, 4421, 2004.
[17] Y. Wang, “Wavelength selection with coupled surface Plasmon waves”, Applied Physics Letters 82, 4385, 2003.