CN104374745A - 一种基于介质纳米结构Fano共振特性的传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于介质纳米结构Fano共振特性的传感器，由对工作波段光波透明的基底和均匀排布在透明基底上的非对称介质纳米条对阵列组成。通过利用介质材料的低损耗特性和非对称纳米条对阵列的Fano共振特性，产生高Q值的共振。同时通过在介质共振单元中引入开口，有效的增强了Fano共振模式电磁场与周围环境媒质的相互作用，提高了传感器的灵敏度和品质因数。本发明设计的传感器品质因数远远超过了基于金属纳米结构Fano共振特性的同类传感器，在化学、生物传感、危险气体和污染物监测等方面具有重要的应用前景。

Description

一种基于介质纳米结构Fano共振特性的传感器
技术领域
本发明涉及一种光学传感器，尤其涉及一种基于介质纳米结构Fano共振特性的传感器，该传感器具有对周围环境折射率敏感的特点。
背景技术
Fano共振起源于两种电磁本征模式之间的干涉，其中一种为亚辐射模式，另外一种为超辐射模式。近年来，随着纳米结构制作工艺的发展，纳米结构的Fano共振引起了广泛的关注。纳米结构的Fano共振具有高的品质因子，大的局部场增强，其共振特性对于纳米结构周围环境非常敏感，因而很适合用于高灵敏度的生物化学传感器的制备。
对于光学折射率传感器而言，传感灵敏度(S)和品质因数(Figure-of-merit,简称FOM)是两个重要的衡量指标。对于基于光学共振模式的折射率传感器，其传感灵敏度单位一般为nm/RIU,其中RIU为单位折射率，nm表示纳米。品质因数则可以用传感灵敏度S除以共振模式的半高全宽(FWHM)表示，即FOM＝S/FWHM。共振模式的半高全宽与共振Q值相关，FWHM＝λ/Q，其中λ为共振中心波长。RIU越大，同时FWHM越小(Q越大)，FOM就越大。FOM是对光学折射率传感器性能的总体评价，具有重要的意义。
由金、银等金属材料构成的纳米结构在光学波段可以支持局域表面等离子体激元共振(LSPR)，因而金属纳米共振结构的光学性质在过去十多年中得到了深入的研究，特别是金属纳米结构的Fano共振，在过去几年成为国内外的研究热点，并被应用于光学传感器的设计。例如，2014年，天津大学的金杰、刘菲、吕辰刚等发明了一种基于金纳米棒二聚体阵列Fano共振特性的传感器(“一种基于金纳米棒二聚体阵列Fano共振特性的传感器”，专利公开号：CN 104061997A，公开日：2014.09.24)。通过利用纳米金属棒阵列的Fano共振特性，这种传感器提高了传感品质因数及灵敏度。在近红外波段，这种传感器的LSPR磁振荡暗模的折射率灵敏度为1096nm/RIU,半高全宽为50nm，传感器的品质因数FOM为20。然而，由于金属在光学波段具有一定的吸收损耗，金属纳米结构的Fano共振Q值一般都在10左右(Boris luk’yanchuk et al,“The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials”NatureMaterials 9,707(2010))。这极大的限制了基于金属纳米结构Fano共振特性的传感器的品质因数。
最近的研究表明，高折射率(折射率大于3)介质纳米结构同样可以支持Fano共振(V.Khardikov et al,“A giant red shift and enhancement of the light confinement in a planar array ofdielectric bars”Journal of Optics 14,035103(2012)；J.Zhang et al,“Near-infrared trapped modemagnetic resonance in an all-dielectric metamaterial”,Opt.Express 21,26721(2013))。由于介质结构可以避免材料的本征吸收损耗，因而在可见光和近红外波段共振Q值有可能达到1000以上，半高全宽有可能小于1nm。不足之处在于，人们通常所研究的介质纳米结构，光学模场都被束缚在了介质内部，共振模式对于周围环境的变化不敏感。如果能够解决这一难题，那么介质纳米结构的Fano共振特性将为新型高性能光学传感器的开发提供可能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于介质纳米结构的传感器，利用介质材料的低损耗特性和介质纳米结构的Fano共振特性，产生高Q值的共振，同时通过在介质共振单元中引入开口增强介质纳米结构的传感灵敏度，最终实现高的传感品质因数。
本发明采用的技术方案如下：一种基于介质纳米结构Fano共振特性的传感器，由对传感器工作波段光波透明的基底和均匀排布在透明基底上的介质纳米结构阵列组成，其特征在于：所述介质纳米结构阵列以介质纳米条对为基本组成单元，每个介质纳米条对由两个厚度相同的非对称介质纳米条平行排布组成，所述介质纳米条对中的至少一个介质纳米条中间断开，所述介质纳米条对沿x轴和y轴排布的周期Px和Py均小于工作波段光波的波长，所述介质纳米条的介质材料为高折射率材料(折射率大于3)。
进一步地，所述透明基底的材料为玻璃；
进一步地，所述介质纳米条的介质材料可以是硅，也可以是锗、碲、砷化镓中的任意一种；
进一步地，所述每条介质纳米条的长度在50nm～3000nm之间，宽度在50nm～1500nm之间，厚度在20nm～1000nm之间；
进一步地，所述每个介质纳米条中间断开部分的长度不超过该介质纳米条长度的二分之一；
进一步地，所述组成介质纳米条对的两个介质纳米条的非对称特性在于两者的结构尺寸不能完全相同，具体包括：(1)两个介质纳米条的宽度不相同；(2)两个介质纳米条的长度不相同；(3)两个介质纳米条中间断开部分的长度不相同；或者以上三种情况的任意组合。
本发明的技术效果在于：
1.由于介质材料的低光学损耗和介质纳米结构的Fano共振特性，介质纳米结构的Fano共振在可见光和近红外波段共振Q值可以达到2500以上，半高全宽可以小于1nm。
2.通过在介质纳米条带中引入开口，使得介质的电磁场能量能够暴露在周末环境之中，有效的增强了Fano共振模式电磁场与周围环境媒质的相互作用，提高了传感器的灵敏度，由此获得的传感器灵敏度达到520nm/RIU,品质因数FOM达到500以上，综合性能远远超过了基于金属纳米结构Fano共振特性的同类传感器。在化学、生物传感，危险气体和污染物监测等方面具有重要的应用前景。
附图说明
以下将基于例示性视图更详细地说明本发明。本发明不限于例示性实施例。在此说明和/或显示的所有特征在本发明的实施例中可以单独使用或以不同组合相结合。本发明的各个实施例的特征和优点将通过以下参照附图的详细说明变得清楚，在附图中：
图1为本发明所述基于介质纳米结构Fano共振特性传感器的结构示意图：
a.三维结构示意图，其中E为入射光波的电场偏振方向，H为入射光波的磁场偏振方向，k为入射光波的波矢方向；
b.纳米条对平面结构示意图及几何参数；
图2为实施例1中组成介质纳米结构传感器的纳米条对的结构参数示意图；
图3为实施例1所述硅介质纳米结构传感器在不同折射率媒质中的透射谱，其中n为外部媒质的折射率；
图4为实施例1所述硅介质纳米结构传感器的传感特性；
图5为实施例2中组成介质纳米结构传感器的纳米条对的结构参数示意图；
图6为实施例2所示传感器在不同折射率媒质中的透射谱，其中n为外部媒质的折射率；
图7为实施例3中组成介质纳米结构传感器的纳米条对的结构参数示意图；
图8为实施例3所示传感器在不同折射率媒质中的透射谱，其中n为外部媒质的折射率；
具体实施方式
本发明的实施例提供三种基于硅纳米结构Fano共振特性的传感器，但本发明不限于该实施例所限定的介质材料。
图1(a)为本发明的介质纳米结构阵列及其传感器的结构示意图。由非对称的硅纳米条对1均匀阵列排布在透明的二氧化硅玻璃基底2上，所述硅纳米条对1由一号纳米条101和二号纳米条102平行排布组成，每个纳米条带中间部分均有一个纳米槽，槽的深度与纳米条带的厚度相同。需要检测的外部媒质包围在硅纳米条周围，包括纳米条之间的间隙、纳米条中间的开口以及纳米条上表面周围，可以是空气，也可以是水、酒精等液体。入射光(覆盖1000nm～2000nm波长的宽谱光源，如白光光源或者超连续谱光源)垂直基底平面照射至传感器上，电场方向平行于纳米条带的长度方向(图1中x轴方向)。
图1(b)所示为介质纳米条对的结构参数示意图。对于图1(a)所示坐标系，该传感器由非对称的介质纳米条对1均匀阵列周期排布在透明的二氧化硅玻璃基底上，每对硅介质纳米条对1由一号纳米条101和二号纳米条102沿x轴方向平行排列组成，所述一号纳米条101和二号纳米条102的厚度均为T，一号纳米条101的长度L1，宽度为W1,二号纳米条102的长度L2，宽度为W2,一号纳米条101和二号纳米条102之间的距离为D；每个介质纳米条的中部开口，开口长度分别为G1和G2，G1和G2均不超过每个介质条长度的一半；每对介质纳米条对沿x轴和y轴的周期分别为Px和Py，Px和Py均小于传感器工作的光波波段的波长。
现代的纳米加工工艺的发展，为介质纳米条阵列的制备提供了相关的技术保证。具体加工方法如下：首先，利用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)在双面抛光的透明基底上生长所需厚度的介质材料(如硅、锗、碲或砷化镓中的任意一种)，然后在生长的介质材料上用旋转涂胶法(spin-coating)均匀涂上一层电子束光刻胶；接下来利用电子束光刻法在光刻胶上制作与需要加工制作的介质纳米条相同的图案；然后利用电子束蒸发镀膜的方法在光刻胶上镀一层金属做掩模，采用lift-off工艺之后，留下硬掩模对介质材料进行反应离子束刻蚀(RIE，刻蚀气体为C4F8,SF6,O2和Ar)，最后用腐蚀液将金属掩膜去掉，再利用去离子水清洗，就得到了如图1所示的具有开口的非对称介质纳米条对阵列。
图2所示为本发明的实施例1中的介质纳米条对的结构参数示意图。所述介质纳米条采用的介质材料为硅，两个纳米条的厚度均为T＝150nm，宽度W1，W2均为300nm，一号纳米条101的长度为L1＝700nm，二号纳米条102的长度为L2＝750nm，两个平行纳米条之间的水平间隔为D＝150nm。两个纳米条中间均有一个开口，其长度为G1＝G2＝100nm,纳米条结构单元的周期为Px＝Py＝900nm。
当线偏振的宽带光源以图1中所示方式(电场偏振方向沿纳米条长度方向，即图中所示x-轴方向)垂直入射到本发明所述传感器上时，部分光会被反射，其余光会透射，利用光谱仪在1000nm～2000nm的波长范围内测量透射和反射光谱。在共振波长附近，由于介质纳米结构的Fano共振，会在透射和反射谱中展现出典型的Fano共振线型。
图3所示为本实施例所述硅介质纳米结构传感器在不同折射率媒质中的透射谱，从图中可以看出，在周围媒质的折射率为1.3时，Fano共振的最小透射波长为1600nm；当周围媒质的折射率为1.4时，Fano共振的最小透射波长为1652.5nm，因此该硅纳米结构传感器的折射率灵敏度为525nm/RIU。由于此时Fano共振谱线的半高全宽小于2nm,因此该硅介质纳米结构传感器的品质因数FOM大于260。
图4所示为本发明所述硅介质纳米结构传感器的传感特性，该图进一步给出了当保持硅纳米条的总长度不变(L1＝700nm，L2＝750nm)时，通过改变介质纳米条中间开口长度时的传感灵敏度变化情况。对于三种不同的开口长度G1＝G2＝0(实际为没有开口，即采用连续的非对称纳米硅条对)，G1＝G2＝50nm,G1＝G2＝100nm,从图上可以看出,Fano共振均随着介质纳米结构周围媒质折射率n的增强而向长波段移动。对于周围媒质在1.3～1.7的折射率范围内变化时，所发明的传感器展现出良好的线性测量特性。当硅纳米条中间没有开口时，折射率传感器灵敏度为338nm/RIU；当在硅纳米条中间引入50nm的开口时，平均灵敏度提高到481.5nm/RIU；而当硅纳米条中间的开口长度为100nm时，灵敏度提高到了522.5nm/RIU。显然，通过在介质纳米共振结构中适当的引入开口，可以有效的增强共振模式中电磁场与周围媒质的相互作用，从而提高折射率传感器的灵敏度。同时，对于这三种不同的开口长度，Fano共振的Q值基本保持不变，因而引入开口也有效的提高了传感器的品质因数。
图5所示为本发明的实施例2中的介质纳米条对的结构参数示意图。所述介质纳米条采用的介质材料为硅，两个纳米条的厚度均为T＝150nm，宽度W1，W2均为300nm，长度L1,L2均为750nm,两个平行纳米条之间的水平间隔为D＝150nm。两个纳米条中间均有一个开口，一号纳米条101的开口长度为G1＝110nm,二号纳米条102的开口长度为G2＝90nm,纳米条结构单元的周期为Px＝Py＝900nm。
图6所示为实施例2所述硅介质纳米结构传感器在不同折射率媒质中的透射谱，从图中可以看出，在周围媒质的折射率为1.3时，Fano共振的最小透射波长为1626.3nm；当周围媒质的折射率为1.4时，Fano共振的最小透射波长为1678.35nm，因此该硅纳米结构传感器的折射率灵敏度为520.5nm/RIU。此时Fano共振的Q值大于2000，谱线的半高全宽小于0.8nm,因此该硅介质纳米结构传感器的品质因数FOM大于650。
图7所示为本发明的实施例3中的介质纳米条对的结构参数示意图。所述介质纳米条采用的介质材料为硅，两个纳米条的厚度均为T＝150nm，长度L1,L2均为750nm,一号纳米条101的宽度W1＝280nm,二号纳米条102的宽度W2＝320nm,两个平行纳米条之间的水平间隔为D＝150nm。两个纳米条中间均有一个开口，其长度为G1＝G2＝100nm,纳米条结构单元的周期为Px＝Py＝900nm。
图8所示为实施例3所述硅介质纳米结构传感器在不同折射率媒质中的透射谱，从图中可以看出，在周围媒质的折射率为1.3时，Fano共振的最小透射波长为1625.1nm；当周围媒质的折射率为1.4时，Fano共振的最小透射波长为1677.1nm，因此该硅纳米结构传感器的折射率灵敏度为520nm/RIU。此时Fano共振的Q值大于2500，谱线的半高全宽小于0.6nm,因此该硅介质纳米结构传感器的品质因数FOM大于860。
虽然参照上述实施例详细描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例。对于本专业领域的技术人员来说，可以对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变型。

Claims (10)

1.一种基于介质纳米结构Fano共振特性的传感器，由对工作波段光波透明的基底(2)和均匀排布在透明基底(2)上的介质纳米结构阵列组成，其特征在于：所述介质纳米结构阵列以介质纳米条对(1)为基本组成单元，每个介质纳米条对(1)由两个厚度相同的非对称介质纳米条(101,102)平行排布组成，所述介质纳米条对(1)中的至少一个介质纳米条中间断开，所述介质纳米条对(1)沿x轴和y轴排布的周期Px和Py均小于工作波段光波的波长，所述介质纳米条(101,102)的介质材料的折射率大于3。
2.一种如权利要求1所述基于介质纳米结构Fano共振特性的传感器，其特征在于：所述透明基底(2)的材料为玻璃。
3.一种如权利要求1所述基于介质纳米结构Fano共振特性的传感器，其特征在于：所述介质纳米条(101,102)的介质材料为硅、锗、碲、砷化镓中的任意一种。
4.一种如权利要求1所述基于介质纳米结构Fano共振特性的传感器，其特征在于：所述每条介质纳米条的长度在50nm～3000nm之间，宽度在50nm～1500nm之间，厚度在20nm～1000nm之间。
5.一种如权利要求1所述基于介质纳米结构Fano共振特性的传感器，其特征在于：所述每个介质纳米条中间断开部分的长度不超过该介质纳米条长度的二分之一。
6.一种如权利要求1所述基于介质纳米结构Fano共振特性的传感器，其特征在于：所述组成介质纳米条对(1)的两个介质纳米条(101,102)的非对称特性在于两者的结构尺寸不能完全相同。
7.一种如权利要求6所述基于介质纳米结构Fano共振特性的传感器，其特征在于：所述组成介质纳米条对(1)的两个介质纳米条(101,102)的宽度不相同。
8.一种如权利要求6所述基于介质纳米结构Fano共振特性的传感器，其特征在于：所述组成介质纳米条对(1)的两个介质纳米条(101,102)的长度不相同。
9.一种如权利要求6所述基于介质纳米结构Fano共振特性的传感器，其特征在于：所述组成介质纳米条对(1)的两个介质纳米条(101,102)中间断开部分的长度不相同。
10.一种如权利要求6所述基于介质纳米结构Fano共振特性的传感器，其特征在于：所述组成介质纳米条对(1)的两个介质纳米条(101,102)的非对称特性为权利要求7到权利要求9中所述三种情况的任意组合。
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