CN103267742B - 局域表面等离子体和波导模式耦合的结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种局域表面等离子体和波导模式耦合的结构，包括：一衬底；一波导层，该波导层制作在衬底上；一Au粒子层，该Au粒子层制作在波导层上。本发明可以有效的降低共振谱线的半高宽，从而提高传感器的品质因子(FOM)。

Description

局域表面等离子体和波导模式耦合的结构
技术领域
本发明涉及集成光电子技术领域，具体涉及一种具有高的品质因子的一种局域表面等离子体和波导模式耦合的结构。
背景技术
近年来，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向都有着越来越重要的应用，在生物传感的领域里，由于表面等离子体对介质的折射率变化很灵敏，基于表面等离子体(Surface Plasmon)的传感器原来越受到重视。
与表面等离子体有关的传感器主要有两类，一类是基于表面等离子体激元(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的折射率的变化引起共振波长的变化来实现探测的。
其中，第一类传感器，即基于SPP的传感器分辨率高，现在已经达到30000nm/RIU，但是它需要其他条件来耦合，如棱镜耦合，而且器件笨重，对环境温度要求高，不适合集成化、小型化、实用化。第二类传感器分辨率低一些，一般会比基于SPP的传感器的灵敏值低两个数量级，而单纯改变单个粒子的形状和大小已经很难大幅度提升灵敏度，但是这类传感器的探测条件不苛刻，还能实现单分子测量，容易实现集成，实用化，和现在很流行的微流体和片上集成都可以很好的整合。这就使得如何提高第二类传感器的传感能力成为一种迫切的需求。
其中衡量局域表面等离子体传感器的传感特性的参数主要有两个，一个是灵敏度(Sensitivity)，一个是品质因子(Figure of merit)。在提高基于LSPR的传感器的灵敏度方面很难有大突破的基础上，提高该类传感器的品质因子就成了一个突破口。其中衡量基于LSPR传感器的谱线的半高宽一般都在100nm以上，最终导致品质因子(FOM)一直很低，很少有高于10的，我们把非对称的嵌套Au粒子的LSP效应和波导进行耦合，可以有效的降低共振谱线的半高宽，从而提高传感器的品质因子(FOM)。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种局域表面等离子体和波导模式耦合的结构，可以有效的降低共振谱线的半高宽，从而提高传感器的品质因子(FOM)。
本发明解决上面提到的问题所采用的技术方案是：本发明提供一种局域表面等离子体和波导模式耦合的结构，包括：
一衬底；
一波导层，该波导层制作在衬底上；
一Au粒子层，该Au粒子层制作在波导层上。
其中衬底的材料为K9玻璃或SiO2。
其中波导层的材料为ZrO2或TiO2。
其中波导层为高折射率的材料，其折射率为2.1到2.4之间，波导层的厚度为60-250nm。
其中Au粒子层为阵列式非对称的嵌套结构，阵列式中的每个单元是两个Au纳米柱从圆心处并列嵌套结构，其横断面为双环结构。
其中Au粒子层中的每个Au纳米柱的直径为80-120nm，纳米柱的高度为80-120nm。
本发明的有益效果是：可以在垂直的TM波的照射下，得到很窄的特征谱线，可以得到很高的FOM，提升传感器的传感性能，同时该结构可以和微流体和结合，能够实现片上集成。
附图说明
为使审查员能进一步了解本发明的结构、特征及其目的，以下结合附图及较佳具体实施例的详细说明如后，其中：
图1是本发明的结构的三维立体图。
图2是该结构的透射谱线图。
图3是Au粒子周围的折射率轻微变化后的透射谱线共振谷的平移图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种局域表面等离子体和波导模式耦合的结构，包括：
一衬底1，该衬底1的材料为K9玻璃或SiO2；
一波导层2，该波导层2制作在衬底1上，该波导层2的材料为ZrO2或TiO2，所述波导层2为高折射率的材料，其折射率为2.1到2.4之间，高的折射率材料可以使得局域表面等离子体模式和波导模式有更强的耦合。因为波导模式的损耗很小，它的特征谱线的线宽一般都会很窄，把它和我们的局域表面等离子体进行耦合，可以有效的降低整个结构的损耗，同时波导层2的厚度我们可以控制，用来调控波导模式和LSP模式的耦合程度，这样我们就可以得到很窄线宽的透射谷；
一Au粒子层3，该Au粒子层3制作在波导层2上，所述Au粒子层3为阵列式非对称的嵌套结构，阵列式中的每个单元是两个Au纳米柱从圆心处并列嵌套结构，其横断面为双环结构，所述Au粒子层3中的每个Au纳米柱的直径为80-120nm，纳米柱的高度为80-120nm。Au粒子层3在x和y方向上的周期都为500-700nm。由于每个单元的x方向和y方向并不是对称的，这样就会出现Fano效应，出现一个相长模式和一个相消模式，导致透射谱线会劈裂为两个透射谷，进一步使透射谷的线宽变窄，提升所设计结构的FOM。
在图2中，我们采用了TM模式的光照射结构的上表面，从结构的下方可以探测到它的透射谱线，我们可以得到两个线宽很窄的透射谷，我们对该结构的x方向和y方向的周期进行调控，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，进而得到具有很高品质因子的基于局域表面等离子体的传感器的结构。
在图3中，我们得到了通过调节后的透射谱线随折射率的变化规律图，我们可以通过这个图中的右边的透射谷随折射率变化的规律，由灵敏度S和品质因子FOM的计算公式：
S＝Δwavelength/Δn，FOM＝S/FWHM
其中，Δwavelength为共振透射谷的平移距离，Δn为共振透射谷平移距离所对应的折射率的变化，FWHM为透射共振谷的半高宽。
最终，我们可以计算得到很高的FOM值，可以达到48.3，由此可知，我们所设计的结构，在提升基于局域表面等离子体传感器的传感性能方面有很大的作用。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种局域表面等离子体和波导模式耦合的结构，包括：
一衬底；
一波导层，该波导层制作在衬底上；
一Au粒子层，该Au粒子层制作在波导层上；
其中Au粒子层为阵列式非对称的嵌套结构，阵列式中的每个单元是两个Au纳米柱从圆心处并列嵌套结构，其横断面为双环结构。
2.根据权利要求1所述的局域表面等离子体和波导模式耦合的结构，其中衬底的材料为K9玻璃或SiO2。
3.根据权利要求1所述的局域表面等离子体和波导模式耦合的结构，其中波导层的材料为ZrO2或TiO2。
4.根据权利要求3所述的局域表面等离子体和波导模式耦合的结构，其中波导层为高折射率的材料，其折射率为2.1到2.4之间，波导层的厚度为60-250nm。
5.根据权利要求1所述的局域表面等离子体和波导模式耦合的结构，其中Au粒子层中的每个Au纳米柱的直径为80-120nm，纳米柱的高度为80-120nm。
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