Dual-Band Biosensing With van der Waals Assisted Optical Metasurfaces

范德瓦尔斯力 材料科学 红外线的 生物传感器 分析化学(期刊) 物理 光学 化学 分子 纳米技术 有机化学
作者
Rashmi Kumari,Shubhanshi Sharma,Shailendra K. Varshney,Basudev Lahiri
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:22 (16): 15953-15960
标识
DOI:10.1109/jsen.2022.3190907
摘要

In this paper, we theoretically investigate a van der Waals (vdW) heterostructure-based optical metasurface for dual-band optical biosensing capable of attaining refractive index (RI) sensing in the visible and vibrational fingerprint detection of the same analyte in the mid-infrared (mid-IR) region simultaneously. The proposed structure consists of two gratings – Calcium Fluoride (CaF 2 ) grating to produce guided-mode resonance in visible and silver (Ag) grating coupled with graphene/ hexagonal boron nitride (hBN) heterostructure to induce hybrid plasmon phonon mode in mid-IR that can be used for surface-enhanced infrared absorption (SEIRA) spectroscopy. The evanescent wave in CaF 2 gratings gives rise to RI sensing at $\sim ~689$ nm. The presence of graphene adds tunability and thus allows identification of multiple vibrational fingerprints of organic molecules, nitroethane and nitrobenzene in mid-IR, with a sensitivity of 360.6 nm/RIU and 313.4 nm/RIU, respectively, in the visible region. The fingerprint signal gets enhanced at 6.43 $\mu \text{m}$ (nitroethane) and 6.56 $\mu \text{m}$ (nitrobenzene) by varying the Fermi potential of the graphene layer above 0.3 eV. The proposed sensor has the potential to meet the requirement of next-generation medical applications such as disease diagnostics, health monitoring, and food/environment monitoring as the sensor enables label-free, sensitive, rapid detection of organic molecules.
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