CN103808691A

CN103808691A - 非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器

Info

Publication number: CN103808691A
Application number: CN201410056974.1A
Authority: CN
Inventors: 宋国峰; 张祖银; 胡海峰; 王丽娜; 马勋鹏; 李康文
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2014-05-21

Abstract

本发明提供了一种非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器。该折射率传感器包括：绝缘衬底，其至少单面抛光；金属薄膜反射层，沉积于衬底的抛光面上；透明介质层，沉积金属薄膜反射层上；以及二维金属单元阵列，形成于透明介质层上，该二维金属单元阵列中的每一金属单元为非对称单元，其是由两个沿衬底表面排列的金属纳米柱构成，每一金属单元的两金属纳米柱与位于其正下方的金属薄膜反射层之间构成一F-P腔回路。本发明折射率传感器结合了非对称粒子Fano共振效应以及把LSP模式和FP腔模进行耦合，可以降低传感器共振谷的半高宽，从而提升了局域表面等离子体传感器性能。

Description

非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器

技术领域

本发明涉及集成光电子技术领域，具体涉及一种非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器。

背景技术

近年来，与表面等离激元(surface plasmon)有关的研究取得了众多进展，而且它迅速和其它的领域交叉渗透。随着生物、化学、医学的迅猛发展，生物传感在分子检测，疾病诊断，食品安全以及环境检测等方面都有着越来越重要的应用。在生物传感领域里，由于表面等离子激元对介质的折射率变化很灵敏，因此基于表面等离子激元的传感器越来越受到重视。

与表面等离子激元有关的传感器主要有两类，一类是基于表面等离子体极化激元(SPP)的传感器，另一类是基于局域表面等离子体共振(LSPR)的传感器。他们主要都是依靠检测周围环境折射率的变化引起的共振波长的变化来实现探测的。

对于基于表面等离子体极化激元的传感器而言，其灵敏度已经很高，发展的瓶颈就是它需要其它条件来耦合，实现相位补偿，如棱镜耦合，光栅耦合，从而造成传感器的器件相对笨重，对环境条件要求很高。

对于基于局域表面等离子体共振的传感器而言，由于局域表面等离子体的共振频率和金属颗粒的形状、尺寸有密切关系，不需要相位补偿，而且局域表面等离子体局域在一个很小的范围，能够实现单分子测量。它可以实现器件的小型化，能够和现在流行的微流体进行整合。但是，第二类传感器的灵敏度比第一类传感器低两个数量级。在单纯改变单个粒子的形状和大小已经很难大幅提升其传感灵敏的基础上，如何提高其传感能力成为本领域技术人员所亟待解决的技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器。

(二)技术方案

本发明提供了一种非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器。该折射率传感器包括：绝缘衬底，其至少单面抛光；金属薄膜反射层，沉积于衬底的抛光面上；透明介质层，沉积金属薄膜反射层上；以及二维金属单元阵列，形成于透明介质层上，该二维金属单元阵列中的每一金属单元为非对称单元，其是由两个沿衬底表面排列的金属纳米柱构成，每一金属单元的两金属纳米柱与位于其正下方的金属薄膜反射层之间构成一F-P腔回路；其中，该F-P腔回路包括：光在该金属单元下方金属薄膜反射层的上表面沿水平方向传播的部分、光在透明介质层中沿竖直方向来回传播共两部分、光在该金属单元两金属立方柱下方的透明介质层的上表面沿水平方向传播的部分，和光在该金属单元两金属立方柱之间下方的透明介质层的上表面沿水平方向传播的部分。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器具有以下有益效果：

(1)结合了非对称粒子Fano共振效应以及把LSP模式和FP腔模进行耦合，可以降低传感器共振谷的半高宽，从而提升折射率传感器的品质因子(FOM)，进而提升了局域表面等离子体传感器性能；

(2)该折射率传感器的结构可以做成微纳器件，实现小型化，可以和微流体结合，能够实现片上集成。

附图说明

图1为本发明实施例非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器的三维立体图；

图2为图1所示折射率传感器沿X-Z面的剖面图；

图3为图1所示折射率传感器中金属单元的示意图。

【本发明主要元件符号说明】

1-衬底； 2-金属薄膜反射层；

3-高折射率介质层； 4-非对称的Au立方柱粒子阵列。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明提供了一种非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器。该折射率传感器使非对称的Au粒子阵列的局域表面等离子体(LSP)模式和FP腔模式相互耦合，从而降低传感器共振谷的半高宽，提高其品质因子，最终提升折射率传感器的传感特性。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器。图1为本发明实施例非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器的三维立体图。请参照图1，本实施例非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器包括：衬底1，其至少单面抛光；金属薄膜反射层2，沉积于衬底1的抛光面上；透明介质层3，沉积金属薄膜反射层2上；二维金属单元阵列4，形成于透明介质层3上，该二维金属单元阵列中的每一金属单元为非对称单元，其是由两个沿衬底表面X方向排列的金属立方柱构成，每个单元与位于其正下方的金属薄膜反射层构成一个F-P腔回路。

图2为图1所示折射率传感器沿X-Z面的剖面图。请参照图2，该F-P腔回路包括：光在该金属单元下方金属薄膜反射层2的上表面沿水平方向传播的部分、光在透明介质层3中沿竖直方向来回传播共两部分、光在与该金属单元两金属立方柱下方的透明介质层3的上表面沿水平方向传播的部分，和光在该金属单元两金属立方柱之间下方的透明介质层3的上表面沿水平方向传播的部分。

以下分别对本实施例非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器的各个组成部分进行详细说明。

绝缘衬底1选用单面抛光的绝缘衬底即可，对其结晶性和取向没有特殊的要求，可以选择SiO₂、Al₂O₃、K9玻璃等衬底。

金属薄膜反射层2的材料应当选用高反射率的材料，例如：金、银、铂等贵金属材料，其厚度应当满足大于等于100nm。

透明介质层3的材料是ZrO₂，TiO₂等高折射率的材料，折射率范围在2.1到2.4，透明介质层的厚度介于200nm至600nm之间。

定义垂直于衬底1的方向为Z方向，平行于衬底的方向为X/Y方向。图2为本发明实施例非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器沿的X-Z面的剖面图。

请参照图1和图2，对于非对称的二维金属单元阵列4而言，阵列沿XY方向排列。二维金属单元阵列的周期介于500nm到700nm之间。优选地，该二维金属单元阵列的周期为600nm。

图3为图1所示折射率传感器中金属单元的示意图。参照图3，黑色方框中的部分为一个金属单元，每个单元由两个沿X方向的Au立方柱组成。每个Au立方柱的边长为140nm，两个Au立方柱的间距为50nm到100nm，金立方柱的高度为100nm。这样在TM光照射时，每个单元的两个Au纳米立方柱之间有强烈耦合的LSP模式存在，同时由于Au粒子阵列在X方向和Y方向的非对称性，会出现Fano共振现象，反射谱线会劈裂为两个透射谷，它们分别为相消干涉和相长干涉，最终每个反射谷的线宽相对变窄。

参照图2，非对称的Au粒子与位于其下方的金属薄膜反射层2形成一个FP腔。对于该FP腔而言，只要回路的相位能够满足2π的整数倍，就会出现干涉相消。

采用TM模式的光垂直照射结构的上表面，从结构的上方可以探测到它的反射谱线，由于和局域表面等离子体有直接关联，FP腔模和表面等离子体模式发生耦合，导致整个结构的反射谱线的线宽会进一步降低。由FOM＝S/FWHM，其中S传感器的灵敏度，FWHM为谱线的半高宽。在降低谱线线宽的基础上，我们可以提高传感器的FOM值，提升其传感性能。在该结构中，由于整个回路构成一个FP腔，可以看到当FP腔满足共振时，有：

其中，是循环一周总的位相平移，

为光在透明介质层3中沿竖直方向向上或向下传播所产生的位相平移，为光在该金属单元下方金属薄膜反射层的上表面沿水平方向传播所产生的位相平移，为光在该金属单元两金属立方柱下方的透明介质层的上表面沿水平方向传播所产生的位相位移，该位相位移与金属颗粒的局域表面等离子体效应直接相关，其中：

其中，β为形成金属立方柱的金属材料的损耗常量，ω为入射光的频率，ω_pl为由测量得出的金属单元产生的局域表面等离子体的共振频率。

为光在该金属单元两金属立方柱之间下方的透明介质层的上表面沿水平方向传播所产生的位相平移。

我们希望每个单元两个Au纳米立方柱之间有强烈耦合的LSP模式存在，同时由于Au粒子阵列的非对称性，会出现Fano共振现象，产生一个相长模式和一个相消模式，它们可以使粒子的LSP模式的线宽变窄。在此基础上，由于每个阵列单元和下面的Au薄膜以及介质层，可以构成一个FP腔的回路。

由于每个单元的x方向和y方向并不是对称的，这样在TM光照射时，就会出现Fano效应，反射谱线会劈裂为两个透射谷，它们分别为相消干涉和相长干涉，最终每个反射谷的线宽相对变窄。介质层采用很高折射率的材料，折射率的范围在2.1到2.4。

至此，已经结合附图对本实施例非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器有了清楚的认识。

此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)非对称的立方柱的Au粒子阵列还可以换成非对称的圆柱的Au粒子阵列；

(2)金属薄膜反射层Au可以用Ag来代替；

(3)金属单元中的纳米柱还可以为其他材料，例如：Ag、Pt等。

综上所述，本发明通过控制非对称纳米Au立方柱粒子的周期P_x和P_y可以调控共振波长的位置，以及相消和相长两种模式的线宽，从而得到具有很高品质因子的基于局域表面等离子体的折射率传感器。该折射率传感器，可以用于食品安全，生物医学，环境检测等等诸多领域，具有广泛的应用前景。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器，其特征在于，包括：

绝缘衬底，其至少单面抛光；

金属薄膜反射层，沉积于所述衬底的抛光面上；

透明介质层，沉积所述金属薄膜反射层上；以及

二维金属单元阵列，形成于所述透明介质层上，该二维金属单元阵列中的每一金属单元为非对称单元，其是由两个沿衬底表面排列的金属纳米柱构成，每一金属单元的两金属纳米柱与位于其正下方的金属薄膜反射层之间构成一F-P腔回路；

其中，该F-P腔回路包括：光在该金属单元下方金属薄膜反射层的上表面沿水平方向传播的部分、光在透明介质层中沿竖直方向来回传播共两部分、光在该金属单元两金属立方柱下方的透明介质层的上表面沿水平方向传播的部分，和光在该金属单元两金属立方柱之间下方的透明介质层的上表面沿水平方向传播的部分。

2.根据权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述F-P腔回路满足：

其中，

是所述F-P腔回路的总位相平移，

为在透明介质层中沿竖直方向向上或向下传播所产生的位相平移，

为光在该金属单元下方金属薄膜反射层的上表面沿水平方向传播所产生的位相平移，

为光在该金属单元两金属立方柱下方的透明介质层的上表面沿水平方向传播所产生的位相平移，该位相平移和金属颗粒的局域表面等离子体效应直接相关，

为光在该金属单元两金属立方柱之间下方的透明介质层的上表面沿水平方向传播所产生的位相平移，n为正整数。

3.根据权利要求2所述的折射率传感器，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述二维金属单元阵列的周期介于500nm到700nm之间。

5.根据权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述二维金属单元阵列的周期为600nm。

6.根据权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述金属纳米柱的形状为圆柱或立方柱，其材料为以下材料其中之一：Au、Ag或Pt。

7.根据权利要求6所述的折射率传感器，其特征在于，所述金属纳米柱为金立方柱，其边长为140nm，高度为100nm，金属单元内两金立方柱的间距介于50nm到100nm。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的透明介质层，其特征在于，所述透明介质层的材料为以下材料其中之一：ZrO₂和TiO₂，其厚度介于200nm至600nm之间。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的折射率传感器，其特征在于，所述绝缘衬底的材料为以下材料其中之一：SiO₂、Al₂O₃和K9玻璃。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的折射率传感器，其特征在于，所述金属薄膜反射层的材料为以下材料其中之一：金、银和铂，其厚度大于等于100nm。