Abstract

We report a systematic, experimental, and theoretical investigation on the surface plasmon resonance (SPR) sensing using optical disks with different track pitches, including Blu-ray disk (BD), digital versatile disk (DVD), and compact disk (CD). Optical reflection measurements indicate that CD and DVD exhibit much higher SPR sensitivity than BD. Both experiments and finite-difference time-domain simulations reveal that the SPR sensitivity is significantly affected by the diffraction order of the SPR peaks and higher diffraction order results in lower sensitivity. Numerical simulations also show that very high sensitivity (1600nm per refractive index unit) is achievable by CDs.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. H. Wang, D. W. Brandl, P. Nordlander, and N. J. Halas, Acc. Chem. Res. 40, 53 (2007).
    [CrossRef]
  2. J. Homola, Chem. Rev. 108, 462 (2008).
    [CrossRef]
  3. M. E. Stewart, C. R. Anderton, L. B. Thompson, J. Maria, S. K. Gray, J. A. Rogers, and R. G. Nuzzo, Chem. Rev. 108, 494 (2008).
    [CrossRef]
  4. P. Kvasnicka, K. Chadt, M. Vala, M. Bockova, and J. Homola, Opt. Lett. 37, 163 (2012).
    [CrossRef]
  5. L. S. Jung, C. T. Campbell, T. M. Chinowsky, M. N. Mar, and S. S. Yee, Langmuir 14, 5636 (1998).
    [CrossRef]
  6. P. Nagpal, N. C. Lindquist, S. H. Oh, and D. J. Norris, Science 325, 594 (2009).
    [CrossRef]
  7. S. K. Kim, C. J. Heo, J. Y. Choi, S. Y. Lee, S. G. Jang, J. W. Shim, T. S. Seo, and S. M. Yang, Appl. Phys. Lett. 98, 233701 (2011).
    [CrossRef]
  8. D. M. Kuncicky, B. G. Prevo, and O. D. Velev, J. Mater. Chem. 16, 1207 (2006).
    [CrossRef]
  9. C. L. Haynes and R. P. Van Duyne, J. Phys. Chem. B 105, 5599 (2001).
    [CrossRef]
  10. A. G. Brolo, R. Gordon, B. Leathem, and K. L. Kavanagh, Langmuir 20, 4813 (2004).
    [CrossRef]
  11. T. Arai, S. C. B. Gopinath, H. Mizuno, P. K. R. Kumar, C. Rockstuhl, K. Awazu, and J. Tominaga, Jpn. J. Appl. Phys. 46, 4003 (2007).
    [CrossRef]
  12. S. C. B. Gopinath, K. Awazu, J. Tominaga, and P. K. R. Kumar, ACS Nano 2, 1885 (2008).
    [CrossRef]
  13. B. K. Singh and A. C. Hillier, Anal. Chem. 78, 2009 (2006).
    [CrossRef]
  14. M. M. Varma, H. D. Inerowicz, F. E. Regnier, and D. D. Nolte, Biosens. Bioelectron. 19, 1371 (2004).
    [CrossRef]
  15. B. K. Singh and A. C. Hillier, Anal. Chem. 80, 3803 (2008).
    [CrossRef]
  16. X. Dou, P. Y. Chung, P. Jiang, and J. L. Dai, Appl. Phys. Lett. 100, 041116 (2012).
    [CrossRef]
  17. X. Dou, P. Y. Chung, P. Jiang, and J. L. Dai, Appl. Phys. Lett. 100, 063702 (2012).
    [CrossRef]
  18. J. Jin, The Finite Element Method in Electromagnetics, 2nd ed. (Wiley, 2002).

2012 (3)

P. Kvasnicka, K. Chadt, M. Vala, M. Bockova, and J. Homola, Opt. Lett. 37, 163 (2012).
[CrossRef]

X. Dou, P. Y. Chung, P. Jiang, and J. L. Dai, Appl. Phys. Lett. 100, 041116 (2012).
[CrossRef]

X. Dou, P. Y. Chung, P. Jiang, and J. L. Dai, Appl. Phys. Lett. 100, 063702 (2012).
[CrossRef]

2011 (1)

S. K. Kim, C. J. Heo, J. Y. Choi, S. Y. Lee, S. G. Jang, J. W. Shim, T. S. Seo, and S. M. Yang, Appl. Phys. Lett. 98, 233701 (2011).
[CrossRef]

2009 (1)

P. Nagpal, N. C. Lindquist, S. H. Oh, and D. J. Norris, Science 325, 594 (2009).
[CrossRef]

2008 (4)

J. Homola, Chem. Rev. 108, 462 (2008).
[CrossRef]

M. E. Stewart, C. R. Anderton, L. B. Thompson, J. Maria, S. K. Gray, J. A. Rogers, and R. G. Nuzzo, Chem. Rev. 108, 494 (2008).
[CrossRef]

B. K. Singh and A. C. Hillier, Anal. Chem. 80, 3803 (2008).
[CrossRef]

S. C. B. Gopinath, K. Awazu, J. Tominaga, and P. K. R. Kumar, ACS Nano 2, 1885 (2008).
[CrossRef]

2007 (2)

T. Arai, S. C. B. Gopinath, H. Mizuno, P. K. R. Kumar, C. Rockstuhl, K. Awazu, and J. Tominaga, Jpn. J. Appl. Phys. 46, 4003 (2007).
[CrossRef]

H. Wang, D. W. Brandl, P. Nordlander, and N. J. Halas, Acc. Chem. Res. 40, 53 (2007).
[CrossRef]

2006 (2)

D. M. Kuncicky, B. G. Prevo, and O. D. Velev, J. Mater. Chem. 16, 1207 (2006).
[CrossRef]

B. K. Singh and A. C. Hillier, Anal. Chem. 78, 2009 (2006).
[CrossRef]

2004 (2)

M. M. Varma, H. D. Inerowicz, F. E. Regnier, and D. D. Nolte, Biosens. Bioelectron. 19, 1371 (2004).
[CrossRef]

A. G. Brolo, R. Gordon, B. Leathem, and K. L. Kavanagh, Langmuir 20, 4813 (2004).
[CrossRef]

2001 (1)

C. L. Haynes and R. P. Van Duyne, J. Phys. Chem. B 105, 5599 (2001).
[CrossRef]

1998 (1)

L. S. Jung, C. T. Campbell, T. M. Chinowsky, M. N. Mar, and S. S. Yee, Langmuir 14, 5636 (1998).
[CrossRef]

Anderton, C. R.

M. E. Stewart, C. R. Anderton, L. B. Thompson, J. Maria, S. K. Gray, J. A. Rogers, and R. G. Nuzzo, Chem. Rev. 108, 494 (2008).
[CrossRef]

Arai, T.

T. Arai, S. C. B. Gopinath, H. Mizuno, P. K. R. Kumar, C. Rockstuhl, K. Awazu, and J. Tominaga, Jpn. J. Appl. Phys. 46, 4003 (2007).
[CrossRef]

Awazu, K.

S. C. B. Gopinath, K. Awazu, J. Tominaga, and P. K. R. Kumar, ACS Nano 2, 1885 (2008).
[CrossRef]

T. Arai, S. C. B. Gopinath, H. Mizuno, P. K. R. Kumar, C. Rockstuhl, K. Awazu, and J. Tominaga, Jpn. J. Appl. Phys. 46, 4003 (2007).
[CrossRef]

Bockova, M.

Brandl, D. W.

H. Wang, D. W. Brandl, P. Nordlander, and N. J. Halas, Acc. Chem. Res. 40, 53 (2007).
[CrossRef]

Brolo, A. G.

A. G. Brolo, R. Gordon, B. Leathem, and K. L. Kavanagh, Langmuir 20, 4813 (2004).
[CrossRef]

Campbell, C. T.

L. S. Jung, C. T. Campbell, T. M. Chinowsky, M. N. Mar, and S. S. Yee, Langmuir 14, 5636 (1998).
[CrossRef]

Chadt, K.

Chinowsky, T. M.

L. S. Jung, C. T. Campbell, T. M. Chinowsky, M. N. Mar, and S. S. Yee, Langmuir 14, 5636 (1998).
[CrossRef]

Choi, J. Y.

S. K. Kim, C. J. Heo, J. Y. Choi, S. Y. Lee, S. G. Jang, J. W. Shim, T. S. Seo, and S. M. Yang, Appl. Phys. Lett. 98, 233701 (2011).
[CrossRef]

Chung, P. Y.

X. Dou, P. Y. Chung, P. Jiang, and J. L. Dai, Appl. Phys. Lett. 100, 063702 (2012).
[CrossRef]

X. Dou, P. Y. Chung, P. Jiang, and J. L. Dai, Appl. Phys. Lett. 100, 041116 (2012).
[CrossRef]

Dai, J. L.

X. Dou, P. Y. Chung, P. Jiang, and J. L. Dai, Appl. Phys. Lett. 100, 041116 (2012).
[CrossRef]

X. Dou, P. Y. Chung, P. Jiang, and J. L. Dai, Appl. Phys. Lett. 100, 063702 (2012).
[CrossRef]

Dou, X.

X. Dou, P. Y. Chung, P. Jiang, and J. L. Dai, Appl. Phys. Lett. 100, 063702 (2012).
[CrossRef]

X. Dou, P. Y. Chung, P. Jiang, and J. L. Dai, Appl. Phys. Lett. 100, 041116 (2012).
[CrossRef]

Gopinath, S. C. B.

S. C. B. Gopinath, K. Awazu, J. Tominaga, and P. K. R. Kumar, ACS Nano 2, 1885 (2008).
[CrossRef]

T. Arai, S. C. B. Gopinath, H. Mizuno, P. K. R. Kumar, C. Rockstuhl, K. Awazu, and J. Tominaga, Jpn. J. Appl. Phys. 46, 4003 (2007).
[CrossRef]

Gordon, R.

A. G. Brolo, R. Gordon, B. Leathem, and K. L. Kavanagh, Langmuir 20, 4813 (2004).
[CrossRef]

Gray, S. K.

M. E. Stewart, C. R. Anderton, L. B. Thompson, J. Maria, S. K. Gray, J. A. Rogers, and R. G. Nuzzo, Chem. Rev. 108, 494 (2008).
[CrossRef]

Halas, N. J.

H. Wang, D. W. Brandl, P. Nordlander, and N. J. Halas, Acc. Chem. Res. 40, 53 (2007).
[CrossRef]

Haynes, C. L.

C. L. Haynes and R. P. Van Duyne, J. Phys. Chem. B 105, 5599 (2001).
[CrossRef]

Heo, C. J.

S. K. Kim, C. J. Heo, J. Y. Choi, S. Y. Lee, S. G. Jang, J. W. Shim, T. S. Seo, and S. M. Yang, Appl. Phys. Lett. 98, 233701 (2011).
[CrossRef]

Hillier, A. C.

B. K. Singh and A. C. Hillier, Anal. Chem. 80, 3803 (2008).
[CrossRef]

B. K. Singh and A. C. Hillier, Anal. Chem. 78, 2009 (2006).
[CrossRef]

Homola, J.

Inerowicz, H. D.

M. M. Varma, H. D. Inerowicz, F. E. Regnier, and D. D. Nolte, Biosens. Bioelectron. 19, 1371 (2004).
[CrossRef]

Jang, S. G.

S. K. Kim, C. J. Heo, J. Y. Choi, S. Y. Lee, S. G. Jang, J. W. Shim, T. S. Seo, and S. M. Yang, Appl. Phys. Lett. 98, 233701 (2011).
[CrossRef]

Jiang, P.

X. Dou, P. Y. Chung, P. Jiang, and J. L. Dai, Appl. Phys. Lett. 100, 063702 (2012).
[CrossRef]

X. Dou, P. Y. Chung, P. Jiang, and J. L. Dai, Appl. Phys. Lett. 100, 041116 (2012).
[CrossRef]

Jin, J.

J. Jin, The Finite Element Method in Electromagnetics, 2nd ed. (Wiley, 2002).

Jung, L. S.

L. S. Jung, C. T. Campbell, T. M. Chinowsky, M. N. Mar, and S. S. Yee, Langmuir 14, 5636 (1998).
[CrossRef]

Kavanagh, K. L.

A. G. Brolo, R. Gordon, B. Leathem, and K. L. Kavanagh, Langmuir 20, 4813 (2004).
[CrossRef]

Kim, S. K.

S. K. Kim, C. J. Heo, J. Y. Choi, S. Y. Lee, S. G. Jang, J. W. Shim, T. S. Seo, and S. M. Yang, Appl. Phys. Lett. 98, 233701 (2011).
[CrossRef]

Kumar, P. K. R.

S. C. B. Gopinath, K. Awazu, J. Tominaga, and P. K. R. Kumar, ACS Nano 2, 1885 (2008).
[CrossRef]

T. Arai, S. C. B. Gopinath, H. Mizuno, P. K. R. Kumar, C. Rockstuhl, K. Awazu, and J. Tominaga, Jpn. J. Appl. Phys. 46, 4003 (2007).
[CrossRef]

Kuncicky, D. M.

D. M. Kuncicky, B. G. Prevo, and O. D. Velev, J. Mater. Chem. 16, 1207 (2006).
[CrossRef]

Kvasnicka, P.

Leathem, B.

A. G. Brolo, R. Gordon, B. Leathem, and K. L. Kavanagh, Langmuir 20, 4813 (2004).
[CrossRef]

Lee, S. Y.

S. K. Kim, C. J. Heo, J. Y. Choi, S. Y. Lee, S. G. Jang, J. W. Shim, T. S. Seo, and S. M. Yang, Appl. Phys. Lett. 98, 233701 (2011).
[CrossRef]

Lindquist, N. C.

P. Nagpal, N. C. Lindquist, S. H. Oh, and D. J. Norris, Science 325, 594 (2009).
[CrossRef]

Mar, M. N.

L. S. Jung, C. T. Campbell, T. M. Chinowsky, M. N. Mar, and S. S. Yee, Langmuir 14, 5636 (1998).
[CrossRef]

Maria, J.

M. E. Stewart, C. R. Anderton, L. B. Thompson, J. Maria, S. K. Gray, J. A. Rogers, and R. G. Nuzzo, Chem. Rev. 108, 494 (2008).
[CrossRef]

Mizuno, H.

T. Arai, S. C. B. Gopinath, H. Mizuno, P. K. R. Kumar, C. Rockstuhl, K. Awazu, and J. Tominaga, Jpn. J. Appl. Phys. 46, 4003 (2007).
[CrossRef]

Nagpal, P.

P. Nagpal, N. C. Lindquist, S. H. Oh, and D. J. Norris, Science 325, 594 (2009).
[CrossRef]

Nolte, D. D.

M. M. Varma, H. D. Inerowicz, F. E. Regnier, and D. D. Nolte, Biosens. Bioelectron. 19, 1371 (2004).
[CrossRef]

Nordlander, P.

H. Wang, D. W. Brandl, P. Nordlander, and N. J. Halas, Acc. Chem. Res. 40, 53 (2007).
[CrossRef]

Norris, D. J.

P. Nagpal, N. C. Lindquist, S. H. Oh, and D. J. Norris, Science 325, 594 (2009).
[CrossRef]

Nuzzo, R. G.

M. E. Stewart, C. R. Anderton, L. B. Thompson, J. Maria, S. K. Gray, J. A. Rogers, and R. G. Nuzzo, Chem. Rev. 108, 494 (2008).
[CrossRef]

Oh, S. H.

P. Nagpal, N. C. Lindquist, S. H. Oh, and D. J. Norris, Science 325, 594 (2009).
[CrossRef]

Prevo, B. G.

D. M. Kuncicky, B. G. Prevo, and O. D. Velev, J. Mater. Chem. 16, 1207 (2006).
[CrossRef]

Regnier, F. E.

M. M. Varma, H. D. Inerowicz, F. E. Regnier, and D. D. Nolte, Biosens. Bioelectron. 19, 1371 (2004).
[CrossRef]

Rockstuhl, C.

T. Arai, S. C. B. Gopinath, H. Mizuno, P. K. R. Kumar, C. Rockstuhl, K. Awazu, and J. Tominaga, Jpn. J. Appl. Phys. 46, 4003 (2007).
[CrossRef]

Rogers, J. A.

M. E. Stewart, C. R. Anderton, L. B. Thompson, J. Maria, S. K. Gray, J. A. Rogers, and R. G. Nuzzo, Chem. Rev. 108, 494 (2008).
[CrossRef]

Seo, T. S.

S. K. Kim, C. J. Heo, J. Y. Choi, S. Y. Lee, S. G. Jang, J. W. Shim, T. S. Seo, and S. M. Yang, Appl. Phys. Lett. 98, 233701 (2011).
[CrossRef]

Shim, J. W.

S. K. Kim, C. J. Heo, J. Y. Choi, S. Y. Lee, S. G. Jang, J. W. Shim, T. S. Seo, and S. M. Yang, Appl. Phys. Lett. 98, 233701 (2011).
[CrossRef]

Singh, B. K.

B. K. Singh and A. C. Hillier, Anal. Chem. 80, 3803 (2008).
[CrossRef]

B. K. Singh and A. C. Hillier, Anal. Chem. 78, 2009 (2006).
[CrossRef]

Stewart, M. E.

M. E. Stewart, C. R. Anderton, L. B. Thompson, J. Maria, S. K. Gray, J. A. Rogers, and R. G. Nuzzo, Chem. Rev. 108, 494 (2008).
[CrossRef]

Thompson, L. B.

M. E. Stewart, C. R. Anderton, L. B. Thompson, J. Maria, S. K. Gray, J. A. Rogers, and R. G. Nuzzo, Chem. Rev. 108, 494 (2008).
[CrossRef]

Tominaga, J.

S. C. B. Gopinath, K. Awazu, J. Tominaga, and P. K. R. Kumar, ACS Nano 2, 1885 (2008).
[CrossRef]

T. Arai, S. C. B. Gopinath, H. Mizuno, P. K. R. Kumar, C. Rockstuhl, K. Awazu, and J. Tominaga, Jpn. J. Appl. Phys. 46, 4003 (2007).
[CrossRef]

Vala, M.

Van Duyne, R. P.

C. L. Haynes and R. P. Van Duyne, J. Phys. Chem. B 105, 5599 (2001).
[CrossRef]

Varma, M. M.

M. M. Varma, H. D. Inerowicz, F. E. Regnier, and D. D. Nolte, Biosens. Bioelectron. 19, 1371 (2004).
[CrossRef]

Velev, O. D.

D. M. Kuncicky, B. G. Prevo, and O. D. Velev, J. Mater. Chem. 16, 1207 (2006).
[CrossRef]

Wang, H.

H. Wang, D. W. Brandl, P. Nordlander, and N. J. Halas, Acc. Chem. Res. 40, 53 (2007).
[CrossRef]

Yang, S. M.

S. K. Kim, C. J. Heo, J. Y. Choi, S. Y. Lee, S. G. Jang, J. W. Shim, T. S. Seo, and S. M. Yang, Appl. Phys. Lett. 98, 233701 (2011).
[CrossRef]

Yee, S. S.

L. S. Jung, C. T. Campbell, T. M. Chinowsky, M. N. Mar, and S. S. Yee, Langmuir 14, 5636 (1998).
[CrossRef]

Acc. Chem. Res. (1)

H. Wang, D. W. Brandl, P. Nordlander, and N. J. Halas, Acc. Chem. Res. 40, 53 (2007).
[CrossRef]

ACS Nano (1)

S. C. B. Gopinath, K. Awazu, J. Tominaga, and P. K. R. Kumar, ACS Nano 2, 1885 (2008).
[CrossRef]

Anal. Chem. (2)

B. K. Singh and A. C. Hillier, Anal. Chem. 78, 2009 (2006).
[CrossRef]

B. K. Singh and A. C. Hillier, Anal. Chem. 80, 3803 (2008).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (3)

X. Dou, P. Y. Chung, P. Jiang, and J. L. Dai, Appl. Phys. Lett. 100, 041116 (2012).
[CrossRef]

X. Dou, P. Y. Chung, P. Jiang, and J. L. Dai, Appl. Phys. Lett. 100, 063702 (2012).
[CrossRef]

S. K. Kim, C. J. Heo, J. Y. Choi, S. Y. Lee, S. G. Jang, J. W. Shim, T. S. Seo, and S. M. Yang, Appl. Phys. Lett. 98, 233701 (2011).
[CrossRef]

Biosens. Bioelectron. (1)

M. M. Varma, H. D. Inerowicz, F. E. Regnier, and D. D. Nolte, Biosens. Bioelectron. 19, 1371 (2004).
[CrossRef]

Chem. Rev. (2)

J. Homola, Chem. Rev. 108, 462 (2008).
[CrossRef]

M. E. Stewart, C. R. Anderton, L. B. Thompson, J. Maria, S. K. Gray, J. A. Rogers, and R. G. Nuzzo, Chem. Rev. 108, 494 (2008).
[CrossRef]

J. Mater. Chem. (1)

D. M. Kuncicky, B. G. Prevo, and O. D. Velev, J. Mater. Chem. 16, 1207 (2006).
[CrossRef]

J. Phys. Chem. B (1)

C. L. Haynes and R. P. Van Duyne, J. Phys. Chem. B 105, 5599 (2001).
[CrossRef]

Jpn. J. Appl. Phys. (1)

T. Arai, S. C. B. Gopinath, H. Mizuno, P. K. R. Kumar, C. Rockstuhl, K. Awazu, and J. Tominaga, Jpn. J. Appl. Phys. 46, 4003 (2007).
[CrossRef]

Langmuir (2)

A. G. Brolo, R. Gordon, B. Leathem, and K. L. Kavanagh, Langmuir 20, 4813 (2004).
[CrossRef]

L. S. Jung, C. T. Campbell, T. M. Chinowsky, M. N. Mar, and S. S. Yee, Langmuir 14, 5636 (1998).
[CrossRef]

Opt. Lett. (1)

Science (1)

P. Nagpal, N. C. Lindquist, S. H. Oh, and D. J. Norris, Science 325, 594 (2009).
[CrossRef]

Other (1)

J. Jin, The Finite Element Method in Electromagnetics, 2nd ed. (Wiley, 2002).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (5)

Fig. 1.
Fig. 1.

Top-view SEM images of (a) BD movie disk and (b) CD-R.

Fig. 2.
Fig. 2.

(a), (d) Normal incidence optical reflection spectra obtained from a BD-R and a CD-R, respectively, in dielectric media with different refractive indices. (b), (e) Expanded reflection spectra in (a) and (d), respectively. (c), (f) Dependence of SPR peak position versus solution refractive index for the above BD-R and CD-R, respectively.

Fig. 3.
Fig. 3.

(a) FDTD-simulated reflection spectra from a BD-R disk in dielectric media with different RIs. (b) Dependence of simulated SPR peak position versus solution refractive index for 0th- and 1st-order peaks.

Fig. 4.
Fig. 4.

(a) FDTD-simulated reflection spectra from a CD-R in dielectric media with different RIs. (b) Calculated SPR sensitivity versus diffraction order for the CD-R.

Fig. 5.
Fig. 5.

Dependence of simulated SPR sensitivity versus track pitch of gratings.

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

λSPR=Pi(εmn2εm+n2)1/2

Metrics