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非對(duì)稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種非對(duì)稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器。該折射率傳感器包括：絕緣襯底，其至少單面拋光；金屬薄膜反射層，沉積于襯底的拋光面上；透明介質(zhì)層，沉積金屬薄膜反射層上；以及二維金屬單元陣列，形成于透明介質(zhì)層上，該二維金屬單元陣列中的每一金屬單元為非對(duì)稱單元，其是由兩個(gè)沿襯底表面排列的金屬納米柱構(gòu)成，每一金屬單元的兩金屬納米柱與位于其正下方的金屬薄膜反射層之間構(gòu)成一F-P腔回路。本發(fā)明折射率傳感器結(jié)合了非對(duì)稱粒子Fano共振效應(yīng)以及把LSP模式和FP腔模進(jìn)行耦合，可以降低傳感器共振谷的半高寬，從而提升了局域表面等離子體傳感器性能。
【專利說(shuō)明】非對(duì)稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成光電子【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種非對(duì)稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái),與表面等離激元(surface plasmon)有關(guān)的研究取得了眾多進(jìn)展，而且它迅速和其它的領(lǐng)域交叉滲透。隨著生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)的迅猛發(fā)展，生物傳感在分子檢測(cè)，疾病診斷，食品安全以及環(huán)境檢測(cè)等方面都有著越來(lái)越重要的應(yīng)用。在生物傳感領(lǐng)域里，由于表面等離子激元對(duì)介質(zhì)的折射率變化很靈敏，因此基于表面等離子激元的傳感器越來(lái)越受到重視。
[0003]與表面等離子激元有關(guān)的傳感器主要有兩類，一類是基于表面等離子體極化激元(SPP)的傳感器，另一類是基于局域表面等離子體共振(LSPR)的傳感器。他們主要都是依靠檢測(cè)周圍環(huán)境折射率的變化引起的共振波長(zhǎng)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)的。
[0004]對(duì)于基于表面等離子體極化激元的傳感器而言，其靈敏度已經(jīng)很高，發(fā)展的瓶頸就是它需要其它條件來(lái)耦合，實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償，如棱鏡耦合，光柵耦合，從而造成傳感器的器件相對(duì)笨重，對(duì)環(huán)境條件要求很高。
[0005]對(duì)于基于局域表面等離子體共振的傳感器而言，由于局域表面等離子體的共振頻率和金屬顆粒的形狀、尺寸有密切關(guān)系，不需要相位補(bǔ)償，而且局域表面等離子體局域在一個(gè)很小的范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)單分子測(cè)量。它可以實(shí)現(xiàn)器件的小型化，能夠和現(xiàn)在流行的微流體進(jìn)行整合。但是，第二類傳感器的靈敏度比第一類傳感器低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在單純改變單個(gè)粒子的形狀和大小已經(jīng)很難大幅提升其傳感靈敏的基礎(chǔ)上，如何提高其傳感能力成為本領(lǐng)域技術(shù)人員所亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006](一 )要解決的技術(shù)問題
[0007]鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種非對(duì)稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器。
[0008]( 二 )技術(shù)方案
[0009]本發(fā)明提供了一種非對(duì)稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器。該折射率傳感器包括:絕緣襯底，其至少單面拋光；金屬薄膜反射層，沉積于襯底的拋光面上；透明介質(zhì)層，沉積金屬薄膜反射層上；以及二維金屬單元陣列，形成于透明介質(zhì)層上，該二維金屬單元陣列中的每一金屬單元為非對(duì)稱單元，其是由兩個(gè)沿襯底表面排列的金屬納米柱構(gòu)成，每一金屬單元的兩金屬納米柱與位于其正下方的金屬薄膜反射層之間構(gòu)成一 F-P腔回路；其中，該F-P腔回路包括:光在該金屬單元下方金屬薄膜反射層的上表面沿水平方向傳播的部分、光在透明介質(zhì)層中沿豎直方向來(lái)回傳播共兩部分、光在該金屬單元兩金屬立方柱下方的透明介質(zhì)層的上表面沿水平方向傳播的部分，和光在該金屬單元兩金屬立方柱之間下方的透明介質(zhì)層的上表面沿水平方向傳播的部分。
[0010](三)有益效果
[0011]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的非對(duì)稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器具有以下有益效果:
[0012](I)結(jié)合了非對(duì)稱粒子Fano共振效應(yīng)以及把LSP模式和FP腔模進(jìn)行耦合，可以降低傳感器共振谷的半高寬，從而提升折射率傳感器的品質(zhì)因子(FOM)，進(jìn)而提升了局域表面等離子體傳感器性能；
[0013](2)該折射率傳感器的結(jié)構(gòu)可以做成微納器件，實(shí)現(xiàn)小型化，可以和微流體結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)片上集成。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明實(shí)施例非對(duì)稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器的三維立體圖；
[0015]圖2為圖1所示折射率傳感器沿X-Z面的剖面圖；
[0016]圖3為圖1所示折射率傳感器中金屬單元的示意圖。
[0017]【本發(fā)明主要元件符號(hào)說(shuō)明】
[0018]1-襯底；2-金屬薄膜反射層；
[0019]3-高折射率介質(zhì)層； 4-非對(duì)稱的Au立方柱粒子陣列。`【具體實(shí)施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。
[0021]本發(fā)明提供了一種非對(duì)稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器。該折射率傳感器使非對(duì)稱的Au粒子陣列的局域表面等離子體(LSP)模式和FP腔模式相互耦合，從而降低傳感器共振谷的半高寬，提高其品質(zhì)因子，最終提升折射率傳感器的傳感特性。
[0022]在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種非對(duì)稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器。圖1為本發(fā)明實(shí)施例非對(duì)稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器的三維立體圖。請(qǐng)參照?qǐng)D1，本實(shí)施例非對(duì)稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器包括:襯底1，其至少單面拋光；金屬薄膜反射層2，沉積于襯底I的拋光面上；透明介質(zhì)層3，沉積金屬薄膜反射層2上；二維金屬單元陣列4，形成于透明介質(zhì)層3上，該二維金屬單元陣列中的每一金屬單元為非對(duì)稱單元，其是由兩個(gè)沿襯底表面X方向排列的金屬立方柱構(gòu)成，每個(gè)單元與位于其正下方的金屬薄膜反射層構(gòu)成一個(gè)F-P腔回路。
[0023]圖2為圖1所示折射率傳感器沿X-Z面的剖面圖。請(qǐng)參照?qǐng)D2，該F-P腔回路包括:光在該金屬單元下方金屬薄膜反射層2的上表面沿水平方向傳播的部分、光在透明介質(zhì)層3中沿豎直方向來(lái)回傳播共兩部分、光在與該金屬單元兩金屬立方柱下方的透明介質(zhì)層3的上表面沿水平方向傳播的部分，和光在該金屬單元兩金屬立方柱之間下方的透明介質(zhì)層3的上表面沿水平方向傳播的部分。
[0024]以下分別對(duì)本實(shí)施例非對(duì)稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器的各個(gè)組成部分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0025]絕緣襯底I選用單面拋光的絕緣襯底即可，對(duì)其結(jié)晶性和取向沒有特殊的要求，可以選擇Si02、Al203、K9玻璃等襯底。
[0026]金屬薄膜反射層2的材料應(yīng)當(dāng)選用高反射率的材料,例如:金、銀、鉬等貴金屬材料，其厚度應(yīng)當(dāng)滿足大于等于lOOnm。
[0027]透明介質(zhì)層3的材料是ZrO2, TiO2等高折射率的材料，折射率范圍在2.1到2.4，透明介質(zhì)層的厚度介于200nm至600nm之間。
[0028]定義垂直于襯底I的方向?yàn)閆方向，平行于襯底的方向?yàn)閄/Y方向。圖2為本發(fā)明實(shí)施例非對(duì)稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器沿的X-Z面的剖面圖。
[0029]請(qǐng)參照?qǐng)D1和圖2，對(duì)于非對(duì)稱的二維金屬單元陣列4而言，陣列沿XY方向排列。二維金屬單元陣列的周期介于500nm到700nm之間。優(yōu)選地，該二維金屬單元陣列的周期為 600nm。
[0030]圖3為圖1所示折射率傳感器中金屬單元的示意圖。參照?qǐng)D3，黑色方框中的部分為一個(gè)金屬單元，每個(gè)單元由兩個(gè)沿X方向的Au立方柱組成。每個(gè)Au立方柱的邊長(zhǎng)為140nm,兩個(gè)Au立方 柱的間距為50nm到IOOnm,金立方柱的高度為lOOnm。這樣在TM光照射時(shí)，每個(gè)單元的兩個(gè)Au納米立方柱之間有強(qiáng)烈耦合的LSP模式存在，同時(shí)由于Au粒子陣列在X方向和Y方向的非對(duì)稱性，會(huì)出現(xiàn)Fano共振現(xiàn)象，反射譜線會(huì)劈裂為兩個(gè)透射谷，它們分別為相消干涉和相長(zhǎng)干涉，最終每個(gè)反射谷的線寬相對(duì)變窄。
[0031]參照?qǐng)D2，非對(duì)稱的Au粒子與位于其下方的金屬薄膜反射層2形成一個(gè)FP腔。對(duì)于該FP腔而言，只要回路的相位能夠滿足2 π的整數(shù)倍，就會(huì)出現(xiàn)干涉相消。
[0032]采用TM模式的光垂直照射結(jié)構(gòu)的上表面，從結(jié)構(gòu)的上方可以探測(cè)到它的反射譜線，由于Δφ3和局域表面等離子體有直接關(guān)聯(lián)，F(xiàn)P腔模和表面等離子體模式發(fā)生耦合，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的反射譜線的線寬會(huì)進(jìn)一步降低。由FOM = S/FWHM，其中S傳感器的靈敏度，F(xiàn)WHM為譜線的半高寬。在降低譜線線寬的基礎(chǔ)上，我們可以提高傳感器的FOM值，提升其傳感性能。在該結(jié)構(gòu)中，由于整個(gè)回路構(gòu)成一個(gè)FP腔，可以看到當(dāng)FP腔滿足共振時(shí)，有:
[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種非對(duì)稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器，其特征在于，包括: 絕緣襯底，其至少單面拋光； 金屬薄膜反射層，沉積于所述襯底的拋光面上； 透明介質(zhì)層，沉積所述金屬薄膜反射層上；以及 二維金屬單元陣列，形成于所述透明介質(zhì)層上，該二維金屬單元陣列中的每一金屬單元為非對(duì)稱單元，其是由兩個(gè)沿襯底表面排列的金屬納米柱構(gòu)成，每一金屬單元的兩金屬納米柱與位于其正下方的金屬薄膜反射層之間構(gòu)成一 F-P腔回路； 其中，該F-P腔回路包括:光在該金屬單元下方金屬薄膜反射層的上表面沿水平方向傳播的部分、光在透明介質(zhì)層中沿豎直方向來(lái)回傳播共兩部分、光在該金屬單元兩金屬立方柱下方的透明介質(zhì)層的上表面沿水平方向傳播的部分，和光在該金屬單兀兩金屬立方柱之間下方的透明介質(zhì)層的上表面沿水平方向傳播的部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折射率傳感器，其特征在于，所述F-P腔回路滿足:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述 的折射率傳感器，其特征在于:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折射率傳感器，其特征在于，所述二維金屬單元陣列的周期介于500nm到700nm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折射率傳感器，其特征在于，所述二維金屬單元陣列的周期為 600nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折射率傳感器，其特征在于，所述金屬納米柱的形狀為圓柱或立方柱，其材料為以下材料其中之一:Au、Ag或Pt。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的折射率傳感器，其特征在于，所述金屬納米柱為金立方柱，其邊長(zhǎng)為140nm,高度為IOOnm,金屬單元內(nèi)兩金立方柱的間距介于50nm到lOOnm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的透明介質(zhì)層，其特征在于，所述透明介質(zhì)層的材料為以下材料其中之一 =ZrO2和TiO2，其厚度介于200nm至600nm之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的折射率傳感器，其特征在于，所述絕緣襯底的材料為以下材料其中之一:Si02、Al2O3和K9玻璃。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的折射率傳感器，其特征在于，所述金屬薄膜反射層的材料為以下材 料其中之一:金、銀和鉬，其厚度大于等于lOOnm。
【文檔編號(hào)】G01N21/41GK103808691SQ201410056974
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年2月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月19日
【發(fā)明者】宋國(guó)峰, 張祖銀, 胡海峰, 王麗娜, 馬勛鵬, 李康文 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所