CN109580545A - 一种基于超材料结构的新型微纳折射率传感器 - Google Patents

一种基于超材料结构的新型微纳折射率传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于超材料结构的新型微纳折射率传感器，解决的是传统光学折射率传感器由于结构尺寸大，无法实现在纳米尺度进行检测的问题，其结构包括基板和传感单元，其中传感单元位于基板上方并呈等间距分布。所述基板包括两层金属板和一层介质板；所述传感单元包括介质底板和介质底板上设置的两个平行金属纳米圆柱；金属纳米圆柱与介质底板的边缘在纵向相切，所述金属纳米圆柱的长度与传感单元长边的长度一致。所述微纳折射率传感器采用介质底板与第一介质板的材质相同，第一金属板、第二金属板及金属纳米圆柱的材质相同的技术方案，较好地实现了折射率传感器小型化和集成化，可用于以纳米领域的折射率测量为基准的各类传感器中。

Description

一种基于超材料结构的新型微纳折射率传感器
技术领域
本发明涉及折射率传感器领域，具体涉及一种超材料结构的新型微纳折射率传感器及微纳尺度折射率检测装置。
背景技术
折射率是各种材料本身的固有属性，在光电检测领域具有重要的地位，是光学物质检测领域一项重要的参数。当前主流的折射率传感器是光纤折射率传感器，如法布里-珀罗干涉仪、萨格纳克干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪、单模-多模-单模光纤结构、布拉格光栅等。这类基于光束相干原理制成的光纤折射率传感器灵敏度普遍偏低，而基于表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)原理的光纤生化传感器本质上也是一种折射率传感器，用于液体折射率测量，灵敏度要高于传统干涉型光纤折射率传感器。但当前利用光纤来制备真正意义上的基于SPR效应的纳米探针还十分困难，从而难以实现微纳尺度内的折射率测量与生化检测。这严重限制了光学折射率传感器的应用领域。
纳米科技的发展，为新型折射率传感器设计、制作提供了新的思路和方法。本发明提供了一种基于SPR原理的超材料结构的新型微纳折射率传感器，与传统光纤折射率相比，该传感器具有结构简单、体积小、易于集成等优点，克服了传统光学折射率传感器灵敏度低、体积偏大，不能实现在微纳领域检测的缺点。
发明内容
本发明所要解决的是传统光学折射率传感器体积大，无法在微纳尺度进行检测的问题，提供一种基于超材料结构的新型微纳折射率传感器。
为解决传统光纤传感器尺寸偏大及灵敏度偏小问题，采用的技术方案如下：
一种基于超材料结构的新型微纳折射率传感器，所述新型微纳折射率传感器包括基板，基板上等间距阵列设置有传感单元；所述基板包括从下往上依次重叠设置的第一金属板、第一介质板、第二金属板；所述传感单元包括介质底板和其上设置的两个金属纳米圆柱，与相邻传感单元相邻的边定义为长边，圆柱轴线与长边平行，且置于介质底板的边缘，所述金属纳米圆柱的长度与长边的长度一致；所述介质底板与第一介质板的材质相同，第一金属板、第二金属板及金属纳米圆柱的材质相同。
本发明的工作原理：本发明的基于超材料结构的新型微纳折射率传感器是基于等离子体共振吸收的基础上研制的一种折射率传感器。当电磁波照射到由金属构成的纳米圆柱阵列上，入射波的频率与金属纳米圆柱阵列传导电子的振动频率相匹配时，金属纳米圆柱就会对光子能量产生强烈的吸收，即实现谐振吸收，谐振吸收波长会随着外界折射率的改变而改变，因此可以根据外界折射率大小与谐振吸收波长之间的关系，通过检测谐振吸收波长就可以间接地计算出外界折射率的数值。由于局域表面等离子体共振对环境折射率响应非常灵敏，因此本发明的折射率传感器具有极高的灵敏度。将微纳折射率传感器放在待测环境中，利用谐振吸收波长来感知外界环境折射率的变化，实现本发明的微纳折射率传感器对微纳尺度的待测环境的测量。
此外，磁场在该折射率传感器内主要分布在两个金属纳米圆柱和金薄膜之间的介质层。表面等离子体共振引起了纳米结构的腔体耦合效应，即本发明所设计的结构由等离子共振产生了磁谐共振。将传感器归一化吸收率定义为Q＝1-(T+R)，其中，R表示反射率，T表示透射率。由于作为反射层的第一金属板的厚度大于入射波在该金属的趋肤深度，因此T＝0。传感器折射率灵敏度定义S＝Δλ/Δn，其中Δλ表示谐振波长的漂移量，Δn表示分析液折射率的变化量。
上述方案中，特别之处在于所述介质底板与第一介质板的材质为MgF2，第一金属板、第二金属板及金属纳米圆柱的材质为Au。
进一步地，所述第一金属板的厚度为h4＝100nm，长度为1000nm，宽度为1000nm，第一介质板的厚度h3＝170nm，第二金属板的厚度为h2＝25nm；介质底板的厚度为h1＝10nm，金属纳米圆柱的半径为r＝50nm，相邻介质底板的间距为d＝20nm，间距d的设置会影响耦合效应，进而影响传感器对入射电磁波的吸收，本方案间距是经参数优化后的最优距离。所述基于超材料结构的新型微纳折射率传感器的工作波长范围为1100nm～1500nm。
本发明的有益效果：基于超材料结构的新型微纳折射率传感器尺寸小，构造简单，易于实现传感器的小型化与集成化，该传感器吸收带宽窄，品质因子及灵敏度较高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1，基于超材料结构的新型微纳折射率传感器几何结构三维图。
图2，实施例所述的新型微纳折射率传感器的几何结构横截面图。
图3，实施例所述的新型微纳折射率传感器的吸收谱。
图4，圆柱半径变化对传感器光吸收的影响。
图5，阵列单元周期变化对传感器光吸收的影响。
图6，新型微纳传感器在不同折射率条件下的吸收谱。
图7，实施例所述传感器的吸收峰值漂移与分析液折射率的关系。
图中，1-第一金属板，2-第一介质板，3-第二金属板，4-介质底板，5-金属纳米圆柱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本实施例提供一种基于超材料结构的新型微纳折射率传感器，由金属介质纳米阵列组成，如图1及图2。所述新型微纳折射率传感器包括基板和基板上等间距阵列设置的传感单元；所述基板包括从下往上依次重叠设置的第一金属板(1)、第一介质板(2)、第二金属板(3)；所述传感单元包括介质底板(4)和介质底板(4)上设置的两个金属纳米圆柱(5)，与相邻传感单元相邻的边定义为长边，圆柱轴线与长边平行，且置于介质底板(4)的边缘，所述金属纳米圆柱(5)的长度与传感单元长边的长度一致；所述介质底板(4)与第一介质板(2)的材质相同，均为MgF2，第一金属板(1)、第二金属板(3)及金属纳米圆柱(5)的材质相同，均为Au。
本实施例中，所述介质底板(4)与第一介质板(2)的材质为MgF2，第一金属板(1)、第二金属板(3)及金属纳米圆柱(5)的材质为Au。
其中，如图1及图2，第一金属板(1)的厚度为h4＝100nm，第一介质板(2)的厚度h3＝170nm，第二金属板(3)的厚度为h2＝25nm；介质底板(4)的厚度为h1＝10nm，金属纳米圆柱(5)的半径为r＝50nm，相邻介质底板(4)的间距为d＝20nm。
如图1及图2，本实施例的新型微纳折射率传感器为金属纳米圆柱周期排列，通过纳米加工技术易于实现。
本实施例的所述新型微纳折射率传感器的工作波长范围为1100nm～1500nm。
通过FDTD solutions仿真计算，图3给出了本实施例所述传感器的吸收谱，纳米阵列的周期和折射率分别取值1000nm和1.0(空气)。由图可知，传感器存在两个谐振吸收峰。第一个吸收峰，吸收率高，半峰全宽窄，品质因数高；第二个吸收峰，半峰全宽大，品质因数低。
图4演示了金属纳米圆柱半径大小对峰值吸收的影响。纳米阵列单元周期取P＝1000nm，环境折射率取1.0(空气)，金属纳米圆柱半径取值范围50nm～200nm，两个吸收峰几乎不受半径变化的影响，谐振波长位置几乎不变，且第一个吸收峰的吸收率都超过了80％。
图5演示了纳米阵列周期对局域表面等离子共振吸收的影响。金属纳米圆柱半径设置为50nm，环境折射率设置为1.0，由图可知，第一个共振吸收峰波长几乎不会随着周期的改变发生漂移，而第二个共振吸收峰的波长随着周期的增加向长波方向漂移。其物理原理是第一个共振吸收峰是由局域表面等离子体共振吸收产生，第二个吸收峰是由纳米光栅效应产生。当周期小于600nm时，第一个吸收峰的半峰全宽比较大，不利于传感器品质因数的提高。因此周期取1000nm具有合理性。
图6演示了分析液折射率对新型微纳传感器的光谱共振吸收影响，阵列周期和金属纳米圆柱半径分别取1000nm和50nm，分析液折射率依次取为1.33、1.36、1.39，由图可知，随着分析液折射率的增加，两个共振吸收峰的波长都向长波方向漂移，且第一个吸收峰的峰值吸收率降低，而第二个吸收峰的峰值吸收率升高。
图7进一步定量确定了峰值漂移与分析液折射率的关系，分析液折射率由1.33逐渐增加到1.45，峰值波长随之线性增加。其中第一个峰波长漂移为25nm，第二个峰波长漂移为65nm，由折射率传感灵敏度定义可得两个峰的折射率灵敏度分别为208nm/RIU，541nm/RIU。
本实施例的基于超材料结构的新型微纳折射率传感器为周期性结构，构成较为简单，易于实现，该折射率传感器具有较高的品质因子，能实现微纳尺度折射率的测量，克服了传统光纤折射率传感器的应用局限。
尽管上面对本专利的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本专利，但是本专利不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本专利的范围内，一切利用本专利构思的发明和创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种基于超材料结构的新型微纳折射率传感器，其特征在于：所述基于超材料结构的新型微纳折射率传感器包括基板，基板上等间距阵列设置的传感单元；
所述基板包括从下往上依次重叠设置的第一金属板(1)、第一介质板(2)、第二金属板(3)；
所述传感单元包括介质底板(4)，介质底板(4)上设置有两个金属纳米圆柱(5)，其与相邻传感单元相邻的边定义为长边，圆柱轴线与长边平行，且置于介质底板(4)的边缘，所述金属纳米圆柱(5)的长度与传感单元长边的长度一致；
所述介质底板(4)与第一介质板(2)的材质相同，第一金属板(1)、第二金属板(3)及金属纳米圆柱(5)的材质相同。
2.根据权利要求1所述的基于超材料结构的新型微纳折射率传感器，其特征在于：所述介质底板(4)与第一介质板(2)的材质为MgF2，第一金属板(1)、第二金属板(3)及金属纳米圆柱(5)的材质为Au。
3.根据权利要求2所述的基于超材料结构的新型微纳折射率传感器，其特征在于：所述第一金属板(1)的厚度为h4＝100nm，第一介质板(2)的厚度h3＝170nm，第二金属板(3)的厚度为h2＝25nm；介质底板(4)的厚度为h1＝10nm，金属纳米圆柱(5)的半径为r＝50nm，相邻介质底板(4)的间距为d＝20nm。
4.根据权利要求3所述的基于超材料结构的新型微纳折射率传感器，其特征在于：所述新型微纳折射率传感器的工作波长范围为1100nm～1500nm。
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