CN105947972A - 多个纳米棒二聚体阵列结构、其制造方法、激发其Fano共振的方法以及包含其的光学传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明通过公开一种多个纳米棒二聚体阵列结构、其制造方法、激发其Fano共振的方法以及包含其的光学传感器。在该结构中，选用了合适的折射率、横向间隙、纵向间隙和长度，从而使得结构具有很好的Fano共振特性，并在电场偏振方向与纳米棒长轴方向平行的入射光垂直作用下，其Fano共振被强烈激发；使用该结构的光学传感器可以极大地提高灵敏度，对于提高光学传感器的性能具有重要的影响作用。
Description
技术领域
本发明属于光学传感器领域，具体涉及一种多个纳米棒二聚体阵列结构、其制造方法、激发其Fano共振的方法及包含其的光学传感器。
背景技术
金属纳米等离子结构中的Fano共振是类比于原子系统中的连续的激发态和分立的激发态，构造出宽带超辐射和窄带亚辐射模式，并通过将这两种模式的频率调谐至重叠，使其可以满足Fano共振的条件，即等离子杂化模式的相长相消干涉效应。
近年来，在等离子纳米结构和超材料结构中的Fano共振得到广泛的研究，纳米结构中的Fano共振因具有较高的品质因数，较大的局部场强，且其共振光谱特性不仅依赖于金属材质，也依赖于纳米结构的形状和尺寸，结构间的耦合作用以及周围的电介质环境，故其很适合高灵敏度的传感器设备的制备。
在金属纳米结构中，激发Fano共振最有效的方式是在等离子系统中产生微扰，典型的石桌结构、非同心环盘结构以及各种低聚物结构等均可实现Fano共振效应，但是以上结构因不具有对称性，故制备起来比较困难，且制备出的光学传感器的灵敏度不高。
公开号为104061997A的发明专利申请公开了“一种基于金纳米棒二聚体阵列Fano共振特性的传感器”，其介绍了金纳米棒二聚体的结构参数和制造方法，但是没有对基底的参数进行限定，其描述的金纳米棒二聚体虽然可以实现Fano共振。由于各个参数的确定不够合理，导致其Fano共振特性不够强烈，制造出的传感器参数不够好。Fano共振是一种物理反应，其对物质的结构参数有着很强的要求，当参数轻微变化时，激发出的Fano共振就可能产生巨大的变化，从而对制造出的传感器的敏感因数产生很大的影响。
发明内容
本发明旨在提供一种使用效果灵敏的多个纳米棒二聚体阵列结构、其制造方法、激发其Fano共振的方法及包含其的光学传感器。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：多个纳米棒二聚体阵列结构，包括基底，基底为玻璃材质，基底的折射率为1.5~1.9，在基底上设有数个纵向排列的纳米棒二聚体；所述纳米棒二聚体包括两个并排排列且之间预留有横向间隙的纳米棒，纳米棒的宽度和厚度均为60 nm，纳米棒的长度为135~270 nm，横向间隙为10~100 nm，相邻纳米棒二聚体之间预留有纵向间隙，纵向间隙为0~90 nm。
每个纳米棒二聚体中的横向间隙均相等，每个纳米棒的长度也均相等。
相邻纳米棒二聚体的纵向间隙均相等，每个纳米棒的长度也均相等。
每个纳米棒二聚体中的横向间隙均相等，相邻纳米棒二聚体的纵向间隙也相等。
每个纳米棒二聚体中的横向间隙均相等，相邻纳米棒二聚体的纵向间隙均相等，每个纳米棒的长度也均相等。
纳米棒二聚体的数量为3或4，纳米棒的材质为银。
一种制造权利要求6所述的多个纳米棒二聚体阵列结构的方法，依次包括如下步骤：
（1）在基底上均匀旋涂电子束刻蚀胶；
（2）用电子束刻蚀出多个纳米棒二聚体阵列结构单元图样；
（3）在刻蚀胶上蒸镀一层银膜；
（4）洗去刻蚀胶。
步骤（3）中银膜的厚度为60 nm。
所述传感器包括壳体，壳体内部呈真空状或在壳体内部充设折射率为1.0~1.3的电介质，壳体中设有敏感元件，所述敏感元件为多个纳米棒二聚体阵列结构。
将电场偏振方向与纳米棒长轴方向平行的入射光垂直入射多个纳米棒二聚体阵列结构，入射光的频率为323 THz。
通过以上技术方案，本发明的有益效果为：1、选用两个纳米棒作为纳米棒二聚体，使得整个结构具有对称性，制备起来比较简单；同时，对参数进行合理的调整，使得结构Fano共振性稳定且强烈；2、在制造多纳米棒二聚体结构的时候，采用蒸镀的方式将银膜固定在基底上，可以使得银膜更加均匀；3、银膜的厚度为60 nm，一方面方便操作，另一方面制成的多个纳米棒二聚体阵列结构的性能优异；4、采用多个纳米棒二聚体阵列结构作为光学传感器的敏感元件，作出的光学传感器敏感性高，性能优异。
附图说明
图1为单个纳米棒二聚体频率和散射强度关系图；
图2为两个纳米棒二聚体频率和散射强度关系图；
图3为多个纳米棒二聚体阵列结构结构示意图；
图4为三个纳米棒二聚体阵列结构光强与散射和吸收强度关系图；
图5为三个纳米棒二聚体阵列结构在频率为304 THz的入射光垂直入射时的电场分配示意图；
图6为三个纳米棒二聚体阵列结构在频率为323 THz的入射光垂直入射时的电场分配示意图；
图7为三个纳米棒二聚体阵列结构在频率为329 THz的入射光垂直入射时的电场分配示意图；
图8为三个纳米棒二聚体阵列结构纵向间隙改变时频率和散射强度关系图；
图9为三个纳米棒二聚体阵列结构横向间隙改变时频率和散射强度关系图；
图10为三个纳米棒二聚体阵列结构纳米棒长度改变时频率和散射强度关系图；
图11为三个纳米棒二聚体阵列结构电介质环境折射率变化和散射强度关系图；
图12为四个纳米棒二聚体阵列结构光强与散射和吸收强度关系图；
图13为多个纳米棒二聚体阵列结构制造方法。
具体实施方式
实施例1，如图3所示的多个纳米棒二聚体阵列结构，包括材质为玻璃的基底1，基底1的折射率为1.5～1.9，优选为1.5。真空环境下在基底1上设有3个纵向排列的纳米棒二聚体，通过实验证实，当纳米棒二聚体的数量为1个或2个时，如图1和图2所示，在频率和散射强度关系图中没有出现量子干涉的现象，该多个纳米棒二聚体阵列结构的Fano共振特性不明显。相邻纳米棒二聚体之间预留有纵向间隙3，因为纳米棒二聚体的数量为3个，所以共有两个纵向间隙3，两个纵向间隙3的长度相等，均为0～90 nm，优选70 nm。纳米棒二聚体包括两个之间预留有横向间隙4的纳米棒2，纳米棒2的材质为银。通过选用两个纳米棒2，从而使得结构实现对称性，使得制备过程更加简单；每个纳米棒的宽度K和厚度均为固定值60nm，以保证本结构达到的Fano共振的效果。各个纳米棒2的长度C相等，均为135~270 nm，优选190 nm；各个纳米棒之间的横向间隙4均相等，为0～100 nm，优选20 nm。通过选用以上参数，在进行测试的时候发现这一范围内 Fano共振的变化较小，在以上范围之外，Fano共振的特性极速下降，故选用以上参数是为了使得结构的性能有很大的提高。如图4可以看出，该结构下，纳米棒的长度C、宽度K、厚度、基底的折射率、横向间隙和纵向间隙相互配合，使得Fano共振明显且共振性高，可以极大地提高传感器的灵敏度。
本发明还公开了一种制造上述多个纳米棒二聚体阵列结构的方法，如图13所示，依次包括如下步骤：
（1）在材质为玻璃的基底上均匀旋涂电子束刻蚀胶。
（2）用电子束刻蚀出多个纳米棒二聚体阵列结构单元图样，在刻蚀的时候，根据需要刻蚀出3个或4个纳米棒二聚体。
（2）在刻蚀胶上蒸镀一层银膜。在蒸镀的时候，银膜的厚度为60 nm，从而保证最终纳米棒2的厚度为60 nm，提高结构的性能。
（3）洗去刻蚀胶，就可以得到相应的结构。
本发明还公开了一种包含上述多个纳米棒二聚体阵列结构的光学传感器，包括壳体，壳体内部呈真空状或在壳体内部充设折射率为1.0~1.3的电介质，传感器壳体中设有敏感元件，所述敏感元件为3个或4个纳米棒二聚体结构，通过敏感元件制备光学传感器为成熟的现有技术，在此不再赘述。
本发明还公开了一种激发上述多个纳米棒二聚体阵列结构的Fano共振的方法，将电场偏振方向与纳米棒长轴方向平行的入射光垂直入射，该垂直入射表示入射光是正对基底1的上表面的，多个纳米棒二聚体阵列结构，选用的入射光的频率为323 THz。在进行实验的时候，发现当入射光的频率为323 THz时，多个纳米棒二聚体会由于共振失谐被同时激发，如图6所示；而当入射光的频率小于323 THz，如为304 THz时，仅仅中间的纳米棒二聚体被强烈的激发，而两边的纳米棒二聚体被激发很弱，Fano共振特性不强，使用效果不好，如图5所示其中图中的虚线箭头代表电场分配方向；当入射光的频率大于323 THz，如为329THz时，如图7所示，中间的纳米棒被激发很弱，而两边的被强烈激发，Fano共振特性同样不强，使用效果依然也不好。
实施例2，本实施例与实施例1的不同之处在于：纳米棒之间的横向间隙4相等，为0~100 nm，优选20 nm；每个纳米棒2的长度也相等，为135~270 nm，优选190 nm；每个纳米棒二聚体间的纵向间隙3均不相等，但是在0~90 nm的范围内。如图8所示，当纵向间隙改变时，依然可以达到较好的Fano共振。
实施例3，本实施例与实施例1的不同之处在于：相邻纳米棒二聚体之间的纵向间隙3均相等，为0~90 nm，优选70 nm；每个纳米棒2的长度也相等，为135~270 nm，优选190nm；纳米棒之间的横向间隙4均不相等，但是在0~100 nm的范围内。如图9所示，当横向间隙改变时，依然可以达到较好的Fano共振。
实施例4，本实施例与实施例1的不同之处在于：相邻纳米棒二聚体之间的纵向间隙3均相等，为0~90 nm，优选70 nm；纳米棒之间的横向间隙4相等，为0~100 nm，优选20 nm；每个纳米棒2的长度均不相等，但是在135~270 nm的范围内。如图10所示，当纳米棒2长度改变时，依然可以达到较好的Fano共振。
实施例5，本实施例与实施例1的不同之处在于：选取主要几何参数，每个纳米棒2的长度均相等为245 nm，相邻纳米棒间的纵向间隙3均相等为75 nm，纳米棒之间的横向间隙均相等为20 nm，改变周围电介质环境折射率在1.0~1.3范围内，可实现较高折射率灵敏度度为1116 nm/RIU，如图11所示。
实施例6，本实施例与实施例1的不同之处在于：纳米棒二聚体的数量为4个，如图12所示，纳米棒二聚体的数量为4个时，依然可以达到较好的Fano共振特性。
实施例7，本实施例与实施例2的不同之处在于：纳米棒二聚体的数量为4个。
实施例8，本实施例与实施例3的不同之处在于：纳米棒二聚体的数量为4个。
实施例9，本实施例与实施例4的不同之处在于：纳米棒二聚体的数量为4个。
本发明通过公开一种多个纳米棒二聚体阵列结构、其制造方法、激发其Fano共振的方法以及包含其的光学传感器。在该结构中，选用了合适的折射率、横向间隙、纵向间隙和长度，从而使得结构具有很好的Fano共振特性，在电场偏振方向与纳米棒长轴方向平行的入射光垂直作用下，其Fano共振被强烈激发；使用该结构的光学传感器可以极大地提高灵敏度，对于提高光学传感器的性能具有重要的影响作用。
Claims (10)
1.多个纳米棒二聚体阵列结构，其特征在于：包括基底，基底为玻璃材质，基底的折射率为1.5~1.9，在基底上设有数个纵向排列的纳米棒二聚体；所述纳米棒二聚体包括两个并排排列且之间预留有横向间隙的纳米棒，纳米棒的宽度和厚度均为60 nm，纳米棒的长度为135~270 nm，横向间隙为10~100 nm，相邻纳米棒二聚体之间预留有纵向间隙，纵向间隙为0~90 nm。
2.如权利要求1所述的多个纳米棒二聚体阵列结构，其特征在于：每个纳米棒二聚体中的横向间隙均相等，每个纳米棒的长度也均相等。
3.如权利要求1所述的多个纳米棒二聚体阵列结构，其特征在于：相邻纳米棒二聚体的纵向间隙均相等，每个纳米棒的长度也均相等。
4.如权利要求1所述的多个纳米棒二聚体阵列结构，其特征在于：每个纳米棒二聚体中的横向间隙均相等，相邻纳米棒二聚体的纵向间隙也相等。
5.如权利要求1所述的多个纳米棒二聚体阵列结构，其特征在于：每个纳米棒二聚体中的横向间隙均相等，相邻纳米棒二聚体的纵向间隙均相等，每个纳米棒的长度也均相等。
6.如权利要求1至5任意一项所述的多个纳米棒二聚体阵列结构，其特征在于：纳米棒二聚体的数量为3或4，纳米棒的材质为银。
7.一种制造权利要求6所述的多个纳米棒二聚体阵列结构的方法，其特征在于：依次包括如下步骤：
在基底上均匀旋涂电子束刻蚀胶；
用电子束刻蚀出多个纳米棒二聚体阵列结构单元图样；
在刻蚀胶上蒸镀一层银膜；
（4）洗去刻蚀胶。
8.如权利要求7所述的制造多个纳米棒二聚体阵列结构的方法，其特征在于：步骤（3）中银膜的厚度为60 nm。
9.包含权利要求6所述的多个纳米棒二聚体阵列结构的光学传感器，其特征在于：所述传感器包括壳体，壳体内部呈真空状或在壳体内部充设折射率为1.0~1.3的电介质，壳体中设有敏感元件，所述敏感元件为多个纳米棒二聚体阵列结构。
10.激发如权利要求6所述的多个纳米棒二聚体阵列结构的Fano共振的方法，其特征在于：将电场偏振方向与纳米棒长轴方向平行的入射光垂直入射多个纳米棒二聚体阵列结构，入射光的频率为323 THz。
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