CN104535532A

CN104535532A - 金属微纳传感器件

Info

Publication number: CN104535532A
Application number: CN201410810528.5A
Authority: CN
Inventors: 程培红
Original assignee: Ningbo University of Technology
Current assignee: Ningbo University of Technology
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2015-04-22

Abstract

本发明公开了一种金属微纳传感器件，属于光电传感器领域，包括一层二氧化硅衬底，在所述二氧化硅衬底上设置有金属薄膜，在所述金属薄膜上设置有金属半球壳，所述金属半球壳在所述金属薄膜上周期性排列。与现有技术相比，本发明通过金属薄膜与金属微纳半球壳的耦合作用，获得大面积、高强度的电磁场分布，金属微纳传感器件对近场的折射率变化敏感，可工作在近红外波段，易于实现单片集成，在生物、医学、化学传感器领域具有良好的应用前景。

Description

金属微纳传感器件

技术领域

本发明属于光电传感器领域，尤其是涉及一种金属微纳传感器件。

背景技术

金属表面等离子体（SPR）是沿金属－介质界面传播的电磁振荡。金属薄膜的SPR共振具有对近场折射率敏感的特点，并且具有灵敏度高、免标记、实时、快速检测等突出优点。 20世纪90年代初，瑞典BiacoreAB公司成功开发出商业化的SPR分析仪，从此SPR生化传感技术获得迅速发展，并广泛应用于生物、化学、环境、医疗、食品及制药领域。然而，基于金属薄膜的传统SPR传感器往往需要棱镜等光学元件来激发表面等离子体波，因而，传感器的结构复杂、体积笨重，难以实现单片集成。

随着表面等离子体共振技术以及纳米制造技术的不断进步和成熟，基于金属纳米粒子的局域表面等离子体共振（LSP）特性在传感领域中的应用成为了目前研究热点之一，该传感器具有制造成本低，携带方便的优点，但其探测灵敏度较低。为了实现单分子水平的探测，纳米传感器的场强应该达到三个数量级。为了提高金属纳米粒子的探测灵敏度，人们设计了不同形状、尺寸的金属纳米粒子并将其应用于传感探测，如2002年，Sun等人报道的Au核壳结构的灵敏度为409nm /RIU，2005年，Sherry等人报道的单个Ag纳米立方体结构的传感灵敏度为146nm/RIU,2008年，Mayer等人报道的Au纳米棒阵列结构的传感灵敏度为170nm/RIU。在这些不同形状的金属纳米粒子中，2006年，Wang等人报道的纳米rice结构的传感灵敏度最高，达到801nm/RIU。

为了进一步提高传感器灵敏度，人们设计了金属纳米复合结构，例如采用纳米粒子之间或纳米粒子与金属薄膜之间的gap模式，在这些模式共振中，在金属结构的间隙处形成了热点（hot spot），电磁场强度大幅提高,可提高探测灵敏度。然而，在这类结构中，强烈的电磁场仅分布在纳米粒子的间隙处，尺寸一般在10nm左右，所以仅适用于微量样品的检测，检测灵敏度不高，检测效率低下。上述问题，亟待解决。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供了一种金属微纳传感器结构，本发明所提出的传感器结构的核心是金属半球壳与金属薄膜组成复合敏感系统，不仅可实现对周围环境折射率的传感，还可作为表面增强拉曼光谱的增强基底，实现生物、化学和医学传感探测。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：金属微纳传感器件，包括一层二氧化硅衬底，在所述二氧化硅衬底上设置有金属薄膜，在所述金属薄膜上设置有金属半球壳，所述金属半球壳在所述金属薄膜上周期性排列。

为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述金属半球壳与所述金属薄膜之间通过介质层相隔离，所述介质层的厚度为0nm-50nm。

为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述金属半球壳的半径为50nm-300nm。

为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述金属半球壳的排列方式为二维正方、四方或六角排列方式。

为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述金属半球壳的排列周期为50nm－1um。

为了取得更好的技术效果，进一步的技术改进还包括，所述金属薄膜的厚度为10nm-500nm。

上述技术方案中，作为优选的，所述金属薄膜和所述金属半球壳由金属材料Au、Ag、Al或Pd制成。

本发明金属微纳传感器件基于金属微纳复合结构的局域场增强效应,利用镜像场作用增强金属复合结构的近场强度，扩大敏感区域，提高传感灵敏度。在该金属微纳传感器件中，同时采用了金属薄膜和金属半球壳，在金属半球壳内存在局域表面等离子体的共振腔模式，该模式与金属薄膜内的镜像结构相互耦合，大大提高了半球壳腔模式的共振强度，极大增强了腔内的电磁场分布。同时，该金属微纳传感器件的电磁场增强区域位于半球腔内和腔外，具有极大的电磁场分布区域，探测有效面积较大，可大大提高探测敏感度和探测效率。

本发明的有益效果是: 本发明金属微纳传感器件采用纳米半球壳与金属薄膜的复合结构，在这种结构中，由于镜像场的作用，使得纳米球壳内的腔模共振大幅增强，增强的电磁场强度可充满整个半球壳，不仅可提高检测灵敏度，还能够增加有效检测敏感体积，适用于低浓度大体积的样品检测，检测效率可大幅提高。

附图说明

图1为本发明金属微纳传感器件的传感器结构截面图。

图2为本发明金属微纳传感器件的传感器结构俯视图。

图3为金属Au半球壳与金属薄膜耦合时的电磁场分布，其中（a）为TM偏振状态,（b）为TE偏振状态。

图4 无金属薄膜时Au半球壳的电磁场分布，其中（a）为TM偏振状态,（b）为TE偏振状态。

图5为Au半球壳的半径为100nm，壳层厚度为20nm，周期为240nm折射率环境中的反射谱。

图6为Au半球壳的半径为100nm，壳层厚度为20nm，周期为480nm折射率环境中的反射谱。

图7为 Au半球壳的半径为50nm，壳层的厚度为70nm，周期为140nm折射率环境中的反射谱。

图8为Au半球壳的半径为100nm，壳层厚度为20nm，周期为240nm,半球壳与金属薄膜间距为20nm折射率环境中的反射谱。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1：参见图1 至图5所示，本发明金属微纳传感器件的一种具体实施例。传感器中金属Au薄膜的厚度为100nm，金属Au半球壳的半径为100nm，壳层的厚度为20nm，金属半球壳采用四方排列，周期为240nm。对比图3和图4，仅金属纳米球壳在共振条件激发时的电磁场分布，可见，金属薄膜的引入大大提高了金属半球壳周围的电磁场分布，不仅在金属薄膜与金属纳米半球壳之间，并且在金属球壳的腔内也形成了强烈的共振电磁场分布。通过图5理论模拟的传感器在不同的折射率环境内的反射光谱可以得出，由于金属半球壳腔模的共振吸收损耗，在反射谱出现了两个峰。随着折射率的增大，反射峰位逐渐红移，计算可得到该传感器的传感灵敏度为730nm/RIU。

实施例2：参见图1 至图4，以及图6所示，本发明金属微纳传感器件的一种具体实施例。传感器中金属Au薄膜的厚度为100nm，金属Au半球壳的半径为100nm，金属Au半球壳壳层的厚度为20nm，半球壳采用四方排列，周期为480nm。对比图3和图4，仅金属纳米球壳在共振条件激发时的电磁场分布，可见，金属薄膜的引入大大提高了金属半球壳周围的电磁场分布，不仅在金属薄膜与金属纳米半球壳之间，并且在金属球壳的腔内也形成了强烈的共振电磁场分布。通过图6理论模拟的传感器在不同的折射率环境内的反射光谱可以得出，由于金属半球壳腔模的共振吸收损耗，在反射谱出现了两个峰。随着折射率的增大，反射峰位逐渐红移，计算可得该传感器在800 nm附近的反射峰的传感灵敏度为507nm/RIU，反射峰半高宽仅为23nm。

实施例3：参见图1 至图4，以及图7所示，本发明金属微纳传感器件的一种具体实施例。传感器中金属Au薄膜的厚度为100nm，金属Au半球壳的半径为50nm，金属Au半球壳壳层的厚度为20nm。金属半球壳采用四方排列，周期为140nm。对比图3和图4，仅金属纳米球壳在共振条件激发时的电磁场分布，可见，金属薄膜的引入大大提高了金属半球壳周围的电磁场分布，不仅在金属薄膜与金属纳米半球壳之间，并且在金属球壳的腔内也形成了强烈的共振电磁场分布。通过图7理论模拟的传感器在不同的折射率环境内的反射光谱可以得出，由于金属半球壳腔模的共振吸收损耗，在反射谱出现了两个峰。随着折射率的增大，反射峰位逐渐红移，计算可得该传感器的传感灵敏度为496nm/RIU。

实施例4：参见图1 至图4，以及图8所示，本发明金属微纳传感器件的一种具体实施例。传感器中金属Au薄膜的厚度为100nm，金属Au半球壳的半径为100nm，金属Au半球壳壳层的厚度为20nm，金属半球壳采用四方排列，周期为240nm。Au半球壳与金属薄膜之间用介质二氧化硅隔离, 金属半球壳Au与金属Au薄膜的间距为20nm。对比图3和图4，仅金属纳米球壳在共振条件激发时的电磁场分布，可见，金属薄膜的引入大大提高了金属半球壳周围的电磁场分布，不仅在金属薄膜与金属纳米半球壳之间，并且在金属球壳的腔内也形成了强烈的共振电磁场分布。通过图8理论模拟的传感器在不同的折射率环境内的反射光谱可以得出，随着折射率的增大，位于1000nm附近的反射峰位逐渐红移，计算可得该传感器的传感灵敏度为734nm/RIU。同时可以看出，隔离介质层的引入不会影响传感灵敏度，也证实了该器件的传感工作原理并不是基于间隙（gap）模式的共振增强作用，而与金属薄膜耦合时金属半球壳腔内外的电磁场增强密切相关。

上述实施例中，所述金属薄膜和所述金属半球壳也可以是由金属材料Ag、Al或Pd制成，在此不再赘述。

以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然，本发明不限于以上的实施例。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.金属微纳传感器件，其特征在于，包括一层二氧化硅衬底，在所述二氧化硅衬底上设置有金属薄膜，在所述金属薄膜上设置有金属半球壳，所述金属半球壳在所述金属薄膜上周期性排列。

2.根据权利要求1所述的金属微纳传感器件，其特征在于，所述金属半球壳与所述金属薄膜之间通过介质层相隔离，所述介质层的厚度为0nm-50nm。

3.根据权利要求1或2所述的金属微纳传感器件，其特征在于，所述金属半球壳的半径为50nm-300nm。

4.根据权利要求3所述的金属微纳传感器件，其特征在于，所述金属半球壳的排列方式为二维正方、四方或六角排列方式。

5.根据权利要求1或4所述的金属微纳传感器件，其特征在于，所述金属半球壳的排列周期为50nm－1um。

6.根据权利要求1所述的金属微纳传感器件，其特征在于，所述金属薄膜的厚度为10nm-500nm。