非對稱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】本發明提供了一種非對稱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，形成于透明介質層上，該二維金屬單元陣列中的每一金屬單元為非對稱單元，其是由兩個沿襯底表面排列的金屬納米柱構成，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成一F-P腔回路。本發明折射率傳感器結合了非對稱粒子Fano共振效應以及把LSP模式和FP腔模進行耦合，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。
【專利說明】非對稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及集成光電子【技術領域】，具體涉及一種非對稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器。
【背景技術】
[0002]近年來,與表面等離激元(surface plasmon)有關的研究取得了眾多進展，而且它迅速和其它的領域交叉滲透。隨著生物、化學、醫學的迅猛發展，生物傳感在分子檢測，疾病診斷，食品安全以及環境檢測等方面都有著越來越重要的應用。在生物傳感領域里，由于表面等離子激元對介質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越受到重視。
[0003]與表面等離子激元有關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周圍環境折射率的變化引起的共振波長的變化來實現探測的。
[0004]對于基于表面等離子體極化激元的傳感器而言，其靈敏度已經很高，發展的瓶頸就是它需要其它條件來耦合，實現相位補償，如棱鏡耦合，光柵耦合，從而造成傳感器的器件相對笨重，對環境條件要求很高。
[0005]對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、尺寸有密切關系，不需要相位補償，而且局域表面等離子體局域在一個很小的范圍，能夠實現單分子測量。它可以實現器件的小型化，能夠和現在流行的微流體進行整合。但是，第二類傳感器的靈敏度比第一類傳感器低兩個數量級。在單純改變單個粒子的形狀和大小已經很難大幅提升其傳感靈敏的基礎上，如何提高其傳感能力成為本領域技術人員所亟待解決的技術問題。
【發明內容】
[0006](一 )要解決的技術問題
[0007]鑒于上述技術問題，本發明提供了一種非對稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器。
[0008]( 二 )技術方案
[0009]本發明提供了一種非對稱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，形成于透明介質層上，該二維金屬單元陣列中的每一金屬單元為非對稱單元，其是由兩個沿襯底表面排列的金屬納米柱構成，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、光在透明介質層中沿豎直方向來回傳播共兩部分、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]從上述技術方案可以看出，本發明的非對稱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)結合了非對稱粒子Fano共振效應以及把LSP模式和FP腔模進行耦合，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因子(FOM)，進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構可以做成微納器件，實現小型化，可以和微流體結合，能夠實現片上集成。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明實施例非對稱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]【本發明主要元件符號說明】
[0018]1-襯底；2-金屬薄膜反射層；
[0019]3-高折射率介質層； 4-非對稱的Au立方柱粒子陣列。`【具體實施方式】
[0020]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示范，但應了解，參數無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。
[0021]本發明提供了一種非對稱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，提高其品質因子，最終提升折射率傳感器的傳感特性。
[0022]在本發明的一個示例性實施例中，提供了一種非對稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器。圖1為本發明實施例非對稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器的三維立體圖。請參照圖1，本實施例非對稱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，形成于透明介質層3上，該二維金屬單元陣列中的每一金屬單元為非對稱單元，其是由兩個沿襯底表面X方向排列的金屬立方柱構成，每個單元與位于其正下方的金屬薄膜反射層構成一個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。請參照圖2，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、光在透明介質層3中沿豎直方向來回傳播共兩部分、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層3的上表面沿水平方向傳播的部分。
[0024]以下分別對本實施例非對稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器的各個組成部分進行詳細說明。
[0025]絕緣襯底I選用單面拋光的絕緣襯底即可，對其結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的材料應當選用高反射率的材料,例如:金、銀、鉬等貴金屬材料，其厚度應當滿足大于等于lOOnm。
[0027]透明介質層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，透明介質層的厚度介于200nm至600nm之間。
[0028]定義垂直于襯底I的方向為Z方向，平行于襯底的方向為X/Y方向。圖2為本發明實施例非對稱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]請參照圖1和圖2，對于非對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。參照圖3，黑色方框中的部分為一個金屬單元，每個單元由兩個沿X方向的Au立方柱組成。每個Au立方柱的邊長為140nm,兩個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，每個單元的兩個Au納米立方柱之間有強烈耦合的LSP模式存在，同時由于Au粒子陣列在X方向和Y方向的非對稱性，會出現Fano共振現象，反射譜線會劈裂為兩個透射谷，它們分別為相消干涉和相長干涉，最終每個反射谷的線寬相對變窄。
[0031]參照圖2，非對稱的Au粒子與位于其下方的金屬薄膜反射層2形成一個FP腔。對于該FP腔而言，只要回路的相位能夠滿足2 π的整數倍，就會出現干涉相消。
[0032]采用TM模式的光垂直照射結構的上表面，從結構的上方可以探測到它的反射譜線，由于Δφ3和局域表面等離子體有直接關聯，FP腔模和表面等離子體模式發生耦合，導致整個結構的反射譜線的線寬會進一步降低。由FOM = S/FWHM，其中S傳感器的靈敏度，FWHM為譜線的半高寬。在降低譜線線寬的基礎上，我們可以提高傳感器的FOM值，提升其傳感性能。在該結構中，由于整個回路構成一個FP腔，可以看到當FP腔滿足共振時，有:
[0033]
【權利要求】
1.一種非對稱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層上，該二維金屬單元陣列中的每一金屬單元為非對稱單元，其是由兩個沿襯底表面排列的金屬納米柱構成，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、光在透明介質層中沿豎直方向來回傳播共兩部分、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層的上表面沿水平方向傳播的部分。
2.根據權利要求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.根據權利要求2所述 的折射率傳感器，其特征在于:
4.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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，其邊長為140nm,高度為IOOnm,金屬單元內兩金立方柱的間距介于50nm到lOOnm。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的透明介質層，其特征在于，所述透明介質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.根據權利要求1至7中任一項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.根據權利要求1至7中任一項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】G01N21/41GK103808691SQ201410056974
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月19日 優先權日:2014年2月19日
【發明者】宋國峰, 張祖銀, 胡海峰, 王麗娜, 馬勛鵬, 李康文 申請人:中國科學院半導體研究所
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