Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22.
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 2 (3): 98-105. Julio-Septiembre 2019 https://doi.org/10.37636/recit.v2398105.
98
ISSN: 2594-1925
Caracterización de un nuevo diseño de sensor de
temperatura basado en el efecto de resonancia de
plasmones
Characterization of a new design of temperature sensor based on
plasmon resonance effect
Ponce Camacho Miguel Ángel
1
, Heredia Aguilar Mayra Alejandra
1
, López Leyva Josué
Aarón
1
, Oliveira Leiva Casemiro
2
1
CETYS Universidad, Calzada CETYS s/n, Col. Rivera, C. P. 21259 Mexicali, Baja California, México
2
Centro de Ciências Exatas e Naturais, Universida de Federal Rural do Semi-Árido, Brazil
Autor de correspondencia: Ponce Camacho, Miguel Ángel, CETYS Universidad, Calzada CETYS s/n,
Col. Rivera, C. P. 21259 Mexicali, Baja California, México, e-mail: miguel.ponce@cetys.mx, clave
ORCID 0000-0002-3320-1277.
Recibido: 30 de Agosto del 2019 Aceptado: 15 de Septiembre del 2019 Publicado: 20 de Septiembre del 2019
Resumen. - En este trabajo se propone un estudio del efecto de la temperatura sobre la superficie del plasmón
polaritón (SPP). En una escala macroscópica, como consecuencia de la variación de temperatura, los materiales
muestran dilatación o contracción. Por lo tanto, basado en el efecto SPP, utilizando la configuración de resonancia
de plasmón de la superficie de rejilla dorada, se caracteriza un nuevo diseño de sensor de temperatura.
Palabras clave: Sensor de temperatura; Superficie de rejilla de oro resonancia de plasmón; Escala macroscópica
Abstract. - In this work a study of the effect from temperature on surface plasmon polariton (SPP) is proposed. On
a macroscopic scale, as a consequence in the variation of temperature, materials show dilation or contraction. Thus,
based on SPP effect, using the gold grating surface plasmon resonance configuration, a novel temperature sensor
design is characterized.
Keywords: Temperature sensor; Gold grating surface plasmon resonance; Macroscopic scale.
1. Introducción
En años recientes el estudio de la nanotecnología ha
experimentado un creciente interés debido a las
innumerables aplicaciones que ésta tiene en diferentes
ramas. Entre ellas destaca su utilidad en la guía óptica
y manipulación a nanoescala, biodetección a nivel
molecular,
transmisión
óptica a través de aperturas ondulares y alta resolución
óptica por debajo del límite de difracción [1].
Los plasmones superficiales también han sido
empleados en un amplio espectro de estudios que van
desde electroquímica [2] y biosensores [3-5] hasta la
microscopía de túnel [6], crecimiento de
nanopartículas [7-8], microscopía de plasmones
superficiales [9-10] y tecnología de resonancia de
plasmones-superficiales [11-17]. Un nuevo interés en
los plasmones superficiales se ha originado por los
recientes avances en la investigación de propiedades
electromagnéticas de materiales nanoestructurados
[18-19].
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ISSN: 2594-1925
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Estos descubrimientos han conducido a la noción de
plasmónica como la ciencia y tecnología de la óptica
basada en metales y nanofotónica. Varios retos
tecnológicos actuales podrían solucionarse mediante el
empleo de las propiedades únicas de los plasmones
superficiales [1].
Los plasmones polaritones de superficie representan la
base para la construcción de circuitos fotónicos a
nanoescala capaces de transmitir tanto señales ópticas
como corrientes eléctricas. [20-21]. De acuerdo con los
nuevos avances registrados en el área, los sensores
basados en el fenómeno de resonancia de plasmones
superficiales se caracterizan por su alta sensibilidad,
precisión, repetibilidad y su bajo límite de detección
[22].
El objetivo del presente trabajo es el estudio del efecto
de la temperatura en la curva característica del
fenómeno de resonancia de plasmones superficiales, la
cual ha sido descrita en experimentos previos. El
alcance del proyecto es la caracterización mediante
una variación de la temperatura de la rejilla de oro con
la finalidad de emplear la información resultante en
futuros trabajos encaminados al diseño de un sensor de
temperatura que se distinga por su alta sensibilidad y
precisión.
Con tal fin, iniciaremos con la revisión teórica del
fenómeno de resonancia de plasmones. Los plasmones
de superficie son oscilaciones de carga eléctrica que se
producen en la interface entre un material conductor y
un material dieléctrico [1].
La excitación de las cargas superficiales se produce de
la siguiente manera. Se considera una onda polarizada
con un ángulo incidente (
1
). La onda incidente tiene
un momento fotónico definido por
en el dieléctrico con un índice de refracción
.
Cuando la señal de luz llega a la interface, la onda
reflejada se propaga a lo largo de la dirección con un
ángulo equivalente al incidente y el momento fotónico
se conserva. La onda en el metal se propaga en una
nueva dirección con un ángulo de refracción
2
. El
momento fotónico es
(donde
,
es
el índice de refracción del metal y la componente del
momento a lo largo de la dirección en x se conserva ie.
K
dx
=k
mx
, donde k
dx
=sen
1
y k
mx
=k
m
sen
2
por lo tanto
tenemos:
n
d
sen
1
=n
m
sen
2
(1)
A esta relación se le conoce como la ley de Snell. En
general, el índice de refracción del dieléctrico n
d
es
mayor que el del metal n
m
(especialmente en los
metales nuevos) en el campo visible. Para el oro n
m
=
0.608 a 516.6 nm, n
m
=0.306 a 563.6 nm.
Por tanto, si n
d
> n
m
para estas longitudes de onda, el
valor máximo para
2
es de 90° y el ángulo incidente
se ve limitado. Más allá del ángulo limitante, la onda
no puede propagarse en el metal, en este caso, el
ángulo incidente limitante es conocido como ángulo
crítico
c
el cual está dado por:
(2)
Una onda con un ángulo de incidencia mayor a la
limitante tiene mayor momento a lo largo de la
superficie que pueda ser soportado por el metal. Para
la onda polarizada incidente en la interface, el campo
eléctrico oscilante causará cargas superficiales en la
interface entre el metal y el dieléctrico y las cargas
superficiales bajo una oscilación colectiva. A pesar de
que la onda es totalmente reflejada en la interface,
habrá cargas que tienen campos de radiación asociados
que penetran en el metal. Éstas se encuentran en
decaída espacialmente (campos evanescentes) en
dirección de la normal de la interface. En el ángulo
crítico la longitud de decremento es infinita, pero ésta
cae rápidamente en el orden en que la longitud de onda
de la luz cuando el ángulo de incidencia crece. En estos
casos, los campos evanescentes para la onda incidente
bajo el ángulo crítico son útiles para radiación de
acoplamiento de SPPs [23].
Partiendo de las ecuaciones de campo
electromagnético de Maxwell la relación de la
dispersión de SPP puede expresarse como:
(3)
La curva de dispersión para el SPP no exhibe un
comportamiento lineal. El momento
de la onda
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SPP es mayor que la de la luz en un fotón en espacio
libre () para la misma frecuencia, lo que resulta en
un desajuste de momento entre la luz y el PPS. Dicha
diferencia deberá superarse mediante el acoplamiento
de lo modos de luz y SPP en la interface cuando:
(4)
Las cargas superficiales pueden generar oscilación
colectiva y los PPSs pueden excitarse. Como alcance
del presente proyecto se pretende establecer una
relación entre una variación de temperatura y su
subsecuente repercusión en el fenómeno de resonancia
plasmónica. Para el logro de lo anterior se propone
como método de estudio una investigación
experimental en donde la variable de tratamiento será
la temperatura.
Como hipótesis se plantea que una variación de
temperatura en el fenómeno de resonancia plasmónica
conlleva un cambio en el ángulo de resonancia
resultante. De comprobarse lo anteriormente citado el
fenómeno en estudio abrirá la pauta para el desarrollo
de sensores de temperatura con características
prometedoras basados en nanotecnología.
2. Metodología
En décadas recientes ha habido un interés creciente en
la fabricación de sensores compactos basados en
resonancia de plasmones. Debido a su alta sensibilidad
a pequeños cambios en el índice de refracción y
propiedades de materiales, estos dispositivos tienen un
gran potencial en diversas áreas de la ingeniería,
particularmente en arreglos llamados “lab-on-a-chip”.
En el presente trabajo se utiliza una configuración
basada en el método de la rejilla metálica de difracción
que muestra el efecto de resonancia de plasmones para
ángulos de difracción mayores a 90
0
, configuración
muy práctica y conveniente para la realización de las
mediciones de los cambios en la intensidad de la señal
luminosa. Con una ventaja adicional, al fijar el ángulo
de resonancia y variar el ángulo de polarización en un
arreglo de montura cónica, el dispositivo ofrece un
mayor control, y es aún más compacto que la
configuración basada en la variación azimutal del
ángulo de resonancia.
El método consiste en una rejilla de difracción de oro
como inductor de plasmones polaritones superficiales,
la cual se encuentra encapsulada por una capa de vidrio
como material dieléctrico.
El curso de la investigación ha resultado en el diseño
de un experimento basado en la resonancia de
plasmones con una señal de luz con polarización p. El
prototipo para mediciones incorpora un sistema de
polarizadores lineales que permite la variación del
ángulo entre sus ejes de transmisión óptica. De tal
forma que, en esta fase experimental, se mide la señal
de luz en el orden de difracción
+1
fijando el ángulo de
incidencia en el valor del ángulo resonante. Se mide la
señal difractada. Al variar el ángulo de
posicionamiento del polarizador la luz del diodo láser
cambia su intensidad, obteniéndose un máximo y
mínimo de señal. Por tanto, el experimento consistió
en realizar un barrido del ángulo de posición del
polarizador tomándose lecturas de los haces
difractados por la rejilla, los cuales fueron detectados
por un fotorresistor.
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Figura 1. Esquema de trabajo del polarizador lineal.
3. Resultados
De acuerdo con el objetivo planteado se presentaron
limitaciones para realizar el estudio del efecto de la
temperatura sobre la rejilla de oro. Por tanto, fue
necesario replantear el experimento enfocado en la
variación del sistema de polarizadores lineales.
En el experimento practicado se realizó una serie de
mediciones del haz difractado por la rejilla metálica
con base a un barrido del ángulo de posicionamiento
entre los ejes de transmisión del sistema de
polarizadores lineales. En la figura 2 se muestran los
valores de la intensidad del haz difractado obtenidos
del experimento.
Figura 2. Gráfica de los valores de intensidad empleando una variación en posición del polarizador. Los datos
obtenidos se encuentran normalizados.
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De acuerdo con los resultados normalizados obtenidos
en la figura 2, se observa que la curva en color rojo
presenta un mínimo de intensidad, el cual fue ajustado
a un ángulo fijo equivalente a 15.75°, el cual se obtuvo
como resultado en anteriores experimentos. La gráfica
muestra una buena aproximación de la curva
característica del fenómeno de resonancia de
plasmones. Lo cual conduce a concluir que es posible
caracterizar el fenómeno de resonancia plasmónica
mediante una variación de los ejes de transmisión de
los polarizadores lineales del prototipo, empleando el
método de acoplamiento de la rejilla de difracción.
En la figura 3 se observa la comparativa entre el
método propuesto en el presente trabajo, con relación
a los resultados en los que se buscó el ángulo resonante
mediante una variación del ángulo de incidencia en la
rejilla.
.
Figura 3. Gráfica comparativa del fenómeno de resonancia con variación del ángulo incidente en color azul y en
rojo la curva de valores de intensidad de luz para el experimento donde se fija el ángulo resonante y se modula el
ángulo entre los ejes de transmisión del sistema de polarizadores lineales.
En la figura 3 se realiza una comparativa de los dos
experimentos llevados a cabo en donde, la curva en
color azul representa el ángulo resonante al variar el
ángulo incidente del haz de luz del diodo láser, cuyo
valor experimental se encontró cercano a los 15.75°.
En el segundo experimento, representado por la curva
en color rojo, se trabajó con la variación del ángulo
formado entre los ejes de transmisión del sistema de
polarizadores. En la figura 3, se distingue que las
curvas obtenidas muestran claramente el fenómeno de
resonancia plasmónica, asimismo que la
correspondencia entre ambas curvas es muestra
similitudes entre sí.
Se llevó a cabo una simulación del efecto de
resonancia de plasmón polaritón, en el cual se puede
103
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apreciar un ángulo resonante igual a 16° lo cual se
puede constatar en la figura 4.
Figura 4. Gráfica obtenida de simulación del fenómeno de plasmón polaritón de superficie por Leiva Casemiro
Oliveira.
La simulación realizada considera un amplio rango de
ángulo incidente que va desde los 10 a 90
o
. En la
gráfica de la figura 4 se puede reconocer el patrón que
sigue la curva simulada y el cual se asemeja a los
resultados obtenidos mostrados en las figuras 2-3 para
el rango entre 13.2
o
a 18.2
o
. El resultado procedente
del experimento efectuado data de un ángulo resonante
equivalente a 15.75° existiendo una variación de 0.25°
con respecto a la simulación. Lo anterior, indica que la
metodología implementada en el presente trabajo, así
como aquella empleada en anteriores experimentos
permite caracterizar el fenómeno de resonancia de
plasmones superficiales.
4. Conclusiones
Como se pudo comprobar en el experimento es posible
observar el fenómeno de resonancia del plasmón
polaritón de superficie fijando el ángulo de
incidencia
, y midiendo la variación de la intensidad
del haz difractado controlando el ángulo entre los ejes
de transmisión del sistema de polarizadores lineales.
Con el fin de efectuar lo anterior, fue necesario
cambiar la metodología basando la medición del
ángulo formado entre dos polarizadores lineales a
diferencia del ángulo azimutal formado en la rejilla de
oro. Se efectuó dicho cambio, debido a las limitaciones
encontradas para observar el efecto de la variación de
la rejilla directamente dado a que no fue posible
apreciarlo.
La aportación desarrollada del presente trabajo
consiste en la variante de la metodología, la cual
emplea un sistema de polarizadores lineales sobre los
cuales se ejerce un cambio del ángulo entre sí, dando
como resultado la curva característica del fenómeno de
resonancia de plasmones superficiales obtenida en
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anteriores estudios haciendo uso de una técnica
diferente a la propuesta.
Los resultados derivados de los experimentos
efectuados representan un avance en la metodología
para el desarrollo de un sensor de temperatura con alta
sensibilidad y precisión.
Se plantea como hipótesis para futuros trabajos el
diseño de experimentos destinados a medir el efecto
que tiene la variación de la temperatura en el sistema
de polarizadores lineales, en la intensidad de luz de la
señal difractada y con ello ver su aplicabilidad para el
diseño de un nuevo sensor de temperatura.
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