CN109307659A - 一种法诺共振mdm超表面高灵敏度背景折射率传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，包括多个侧面相互连接的单元结构，单元结构包括介质层和分别设于介质层上下表面且关于介质层对称的两个金属层，金属层包括设于介质层上的两个第一金属片和两个第二金属片，两个第一金属片间隔设置，两个第二金属片间隔设置，第一金属片和第二金属片间隔设置。本发明提供的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，第一金属片和第二金属片使得金属层结构纵向不对称，使其电偶极子增强，与超表面结构中的磁偶极子相互作用，使得应用于具有法诺共振的超表面结构时，对周围背景折射率进行探测时具有高的灵敏度，且制备工艺简单。

Description

一种法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种法诺共振M(金属)D(介质)M(金属)超表面高灵敏度背景折射率传感器。
背景技术
明模和暗模之间的干涉在光谱上表现出非对称线形的现象叫法诺共振。法诺共振一直是人们在纳米光子学领域感兴趣的方向，在许多纳米光子平台如光子晶体、等离子和超材料等都已经实现。法诺共振可以显著地改善表面等离激元共振由于尺寸增加而引起的局域场强增大受限的问题，激发出异常强的电磁场，提高功能器件的性能，在探测周围物质的折射率时会很灵敏。因而被广泛应用于生物化学相关领域，如环境监测、疾病监控等。
随着微纳工艺的发展，对于超材料的法诺共振的研究逐渐增多，现有的折射率传感器的几何结构相对复杂，制备工艺困难，而且传感灵敏度不高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，以解决现有折射率传感器制备工艺困难，传感灵敏度不高的问题。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，包括多个侧面相互连接的单元结构，所述单元结构包括介质层和分别设于所述介质层上下表面且关于所述介质层对称的两个金属层，所述金属层包括设于所述介质层上的两个第一金属片和两个第二金属片，两个所述第一金属片间隔设置，两个所述第二金属片间隔设置，所述第一金属片和所述第二金属片间隔设置。
进一步地，所述金属层的材质为金或银。
进一步地，所述第一金属片的横截面形状为方形，和\或，
所述第二金属片的横截面形状为方形。
进一步地，所述第一金属片的横截面形状为正方形，所述第一金属片的横截面边长为1.7～2.7微米，所述第二金属片的横截面形状为正方形，所述第二金属片的横截面边长为1.9～2.8微米。
进一步地，所述第一金属片和所述第二金属片的厚度相等。
进一步地，所述第一金属片和所述第二金属片的厚度均为40～60纳米。
进一步地，所述介质层的折射率为1.6～2.8。
进一步地，所述介质层的材质为ZnS、Al2O3或ZnTe。
进一步地，所述介质层的厚度为90～130纳米。
进一步地，所述单元结构沿所述介质层的侧面呈若干行和若干列分布。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：由多个单元结构相互连接形成周期，单元结构包括介质层和设于介质层上下表面且关于介质层对称的两个金属层，结构简单，制备工艺简单，金属层包括设于介质层上的两个第一金属片和两个第二金属片，两种金属片使得金属层结构纵向不对称，使其电偶极子增强，与超表面结构中的磁偶极子相互作用，使得应用于具有法诺共振的超表面结构时，对周围背景折射率进行探测时具有高的灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器的示意图；
图2为本发明实施例提供的单元结构的横截面示意图；
图3为本发明实施例提供的单元结构的纵向截面示意图；
图4为本发明实施例一提供的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器在不同相位差时的吸收谱图；
图5为本发明实施例一提供的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器的电场分布图；
图6为本发明实施例一提供的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器在不同背景折射率时的吸收谱图；
图7为本发明实施例一提供的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器的背景材料折射率与法诺共振峰波长的对应关系图；
图8为本发明实施例二提供的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器的不同背景折射率对应的吸收谱图；
图9为本发明实施例二提供的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器的背景材料折射率与法诺共振峰波长的对应关系图；
图10为本发明实施例三提供的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器的不同背景折射率对应的吸收谱图；
图11为本发明实施例三提供的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器的背景材料折射率与法诺共振峰波长的对应关系图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
如图1～3所示，本发明实施例提供的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，包括多个侧面相互连接的单元结构1，单元结构1包括介质层11和分别设于介质层11上下表面且关于介质层11对称的两个金属层12，金属层12包括设于介质层11上的两个第一金属片121和两个第二金属片122，两个第一金属片121间隔设置，两个第二金属片122间隔设置，第一金属片121和第二金属片122间隔设置。两个第一金属片121和两个第二金属片122，使得金属层12结构纵向不对称，使其电偶极子增强，与超表面结构中的磁偶极子相互作用，使得该结构应用于具有法诺共振的超表面结构时，对周围背景折射率进行探测时具有高的灵敏度，且结构简单，制备工艺简单。
作为优选的实施方式，金属层12的材质为金或银，第一金属片121为方形结构，和\或，第二金属片122为方形结构。
作为优选的实施方式，第一金属片121的横截面形状为正方形结构，第一金属片121的横截面边长为1.7～2.7微米，第二金属片122的横截面形状为正方形，第二金属片122的横截面边长为1.9～2.8微米，进一步提高法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器对周围背景折射率进行探测时的灵敏度。
作为优选的实施方式，第一金属片121和第二金属片122的厚度相等，第一金属片121和第二金属片122的厚度均为40～60纳米，简化制备工艺且传感灵敏度更高。
作为优选的实施方式，介质层11的折射率为1.6～2.8，介质层11的材质为ZnS、Al2O3或ZnTe，介质层11的厚度为90～130纳米，传感灵敏度更高。
作为优选的实施方式，单元结构1沿介质层11的侧面呈若干行和若干列分布，单元结构1的截面为正方形，一个单元结构1为一个周期，一个周期的长度为4～5.9微米。
下面，以本发明提供的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器的具体应用中的实验数据来说明本发明的有益效果。
本发明实施例一提供的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，单元结构1的周期长度为5.9微米，第一金属片121的横截面形状为正方形，边长为2.7微米，第二金属片122的横截面形状为正方形，边长为2.8微米，第一金属片121和第二金属片122的厚度均为60纳米，介质层11的厚度为130纳米，两束对向传输的相干横磁波(TM波)穿过该法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，调节两束TM波的相位差，通过探测两侧的电磁波能量，可以得到的传感器的吸收谱图。如图4所示，为两束TM波的相位差分别为0°、20°、40°、60°、80°时的吸收谱图，可以看出，随着相位差的改变，吸收谱的峰值明显移动，即通过调节相位差可以灵活调谐法诺共振。如图5所示，当相位差为0°时，传感器在工作波长为8.29微米的电场分布图，可看出在单元间隙处具有很强的电场增强特性，由于其电场的热点存在于单元周围而不是介质区域，所以在折射率传感上有优势。如图6所示，为相位差为0时，背景材料折射率为1.5～1.6时对应的传感器的吸收谱图，根据法诺共振峰的波长变化情况，可以看出随着折射率的增加法诺共振峰出现了明显的红移。如图7所示，为背景材料折射率与法诺共振峰波长的对应关系图，可以得出是线性的关系，背景折射率从1.5到1.6时，灵敏度为5395nm/RIU。
本发明实施例二提供的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，单元结构1的周期长度为5微米，第一金属片121的横截面形状为正方形，边长为2.3微米，第二金属片122的横截面形状为正方形，边长为2.37微米，第一金属片121和第二金属片122的厚度均为50纳米，介质层11的厚度为110纳米，两束对向传输的相干横磁波(TM波)穿过该法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，调节两束TM波的相位差，通过探测两侧的电磁波能量，可以得到的传感器的吸收谱图。如图8所示，为背景材料折射率为1.5～1.6时对应的传感器的吸收谱图，根据法诺共振峰的波长变化情况，可以看出随着折射率的增加法诺共振峰出现了明显的红移。如图9所示，为背景材料折射率与法诺共振峰波长的对应关系图，可以得出是线性的关系，背景折射率从1.5到1.6时，灵敏度为4462nm/RIU。
本发明实施例三提供的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，单元结构1的周期长度为4微米，第一金属片121的横截面形状为正方形，边长为1.7微米，第二金属片122的横截面形状为正方形，边长为1.9微米，第一金属片121和第二金属片122的厚度均为40纳米，介质层11的厚度为90纳米，两束对向传输的相干横磁波(TM波)穿过该法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，调节两束TM波的相位差，通过探测两侧的电磁波能量，可以得到的传感器的吸收谱图。如图10所示，为背景材料折射率为1.5～1.6时对应的传感器的吸收谱图，根据法诺共振峰的波长变化情况，可以看出随着折射率的增加法诺共振峰出现了明显的红移。如图11所示，为背景材料折射率与法诺共振峰波长的对应关系图，可以得出是线性的关系，背景折射率从1.5到1.6时，灵敏度为3397nm/RIU。
本发明实施例提供的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，由多个单元结构1相互连接形成周期，单元结构1包括介质层11和设于介质层11上下表面且关于介质层11对称的两个金属层12，结构简单，制备工艺简单，金属层12包括设于介质层11上的两个第一金属片121和两个第二金属片122，两种金属片使得金属层12结构纵向不对称，使其电偶极子增强，与超表面结构中的磁偶极子相互作用，使得应用于具有法诺共振的超表面结构时，对周围背景折射率进行探测时具有高的灵敏度。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，其特征在于，包括多个侧面相互连接的单元结构，所述单元结构包括介质层和分别设于所述介质层上下表面且关于所述介质层对称的两个金属层，所述金属层包括设于所述介质层上的两个第一金属片和两个第二金属片，两个所述第一金属片间隔设置，两个所述第二金属片间隔设置，所述第一金属片和所述第二金属片间隔设置。
2.根据权利要求1所述的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，其特征在于，所述金属层的材质为金或银。
3.根据权利要求1所述的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，其特征在于，所述第一金属片的横截面形状为方形，和\或，
所述第二金属片的横截面形状为方形。
4.根据权利要求3所述的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，其特征在于，所述第一金属片的横截面形状为正方形，所述第一金属片的横截面边长为1.7～2.7微米，所述第二金属片的横截面形状为正方形，所述第二金属片的横截面边长为1.9～2.8微米。
5.根据权利要求1所述的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，其特征在于，所述第一金属片和所述第二金属片的厚度相等。
6.根据权利要求5所述的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，其特征在于，所述第一金属片和所述第二金属片的厚度均为40～60纳米。
7.根据权利要求1所述的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，其特征在于，所述介质层的折射率为1.6～2.8。
8.根据权利要求7所述的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，其特征在于，所述介质层的材质为ZnS、Al2O3或ZnTe。
9.根据权利要求1所述的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，其特征在于，所述介质层的厚度为90～130纳米。
10.根据权利要求1～9任一项所述的法诺共振MDM超表面高灵敏度背景折射率传感器，其特征在于，所述单元结构沿所述介质层的侧面呈若干行和若干列分布。
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