CN110530820A - 基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器 - Google Patents
基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于等离激元传感领域,公开了基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器。本发明由单层石墨烯和均匀分布的非对称金纳米天线阵列构成,主要应用在近红外和中远红外两个波段,用于灵敏的探测周围环境折射率的改变。克服了传统的等离激元传感器只能工作在单一波段或者波段较窄的问题,同时利用非对称金纳米天线阵列有利于增加共振Q值提高传感器灵敏度。本发明具有重要的工程实用意义,在医疗健康、安全、环境质量的监控等领域具有广阔的推广应用前景。
Description
技术领域
本发明属于等离激元传感领域,具体是基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器,是应用在近红外和中远红外波段的光学传感器,用于灵敏的探测周围环境折射率的改变。
背景技术
金属表面等离激元已经在光子操纵、热辐射调控、非线性光学和生物传感等方面有非常大的应用,表面等离激元具备亚波长空间局域能力,对周围媒质的变化很敏感,可以实现免标记、高灵敏度、实时检测、无损伤传感。
传统的表面等离激元传感器主要基于金属纳米结构,工作在可见光或者近红外波段。在太赫兹和中远红外波段,石墨烯可以支持表面等离激元极化模式产生较强的光与石墨烯的相互作用。Tobias Wenger等人在(“High-sensitivity plasmonic refractiveindex sensing using graphene”,IOP Publishing 2D Mater.4(2017)025103)文献中实现基于石墨烯表面等离激元的微纳传感,同时改变石墨烯的掺杂浓度可以调节石墨烯等离子体频率。但是在可见光和近红外波段,石墨烯却表现为一层吸收损耗介质,并不能展现出光谱选择性。
针对传统的等离激元传感器只能工作在单一波段或者波段较窄的问题,本发明采用不对称金属纳米天线阵列/石墨烯混合结构,使得可以同时工作在近红外与中远红外波段,同时利用非对称金纳米天线阵列有利于增加共振Q值提高传感器灵敏度。
由于在生物化学传感领域,大多数的技术应用和传统光学器件的受限光波波段主要集中在红外区域,例如2~20微米主要用来做化学材料分子表征、超灵敏生物指纹探测,1~3微米、3~5微米和8~12微米波段主要用在热成像方面,本发明设计的双波段传感器将对医疗健康、安全、环境质量的监控起到很大的帮助。
发明内容
为了解决以上技术问题,本发明采用的技术方案如下:
基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器,所述双波段等离激元传感器由在工作波段对光波透明的基底、在基底上平铺的单层石墨烯和均匀分布的非对称金纳米天线阵列及非对称金纳米天线阵列上方的介质层构成;
所述双波段等离激元传感器的等效外界环境有效折射率范围为1~2;
所述非对称金纳米天线阵列的基本结构单元是金纳米条对二聚体,每个金纳米条对二聚体由两个厚度相同非对称的金纳米条平行排列而成;
所述金纳米条对二聚体结构尺寸均小于工作波段的光波波长;
所述透明基底的材料是玻璃;
所述非对称金纳米天线阵列周期范围为200~3000nm;
所述金纳米条的长度范围为50~3000nm,宽度范围为50nm~1500nm,厚度范围为20nm~200nm;
所述金纳米条对二聚体的非对称性在于两个金纳米条的结构尺寸不完全相同,即两个金纳米条的结构尺寸满足如下三个条件之一:(1)所述两个非对称金纳米条的长度不相同,(2)所述两个非对称金纳米条的宽度不相同,(3)所述两个非对称金纳米条结构尺寸满足(1)(2)的任意组合;
所述两个金纳米条之间的距离范围为50nm~1500nm;
所述平铺的单层石墨烯费米能级范围为0.2~0.7;
优选的,所述非对称金纳米天线阵列的周期为350nm,两个金纳米条的长度分别为250nm、200nm,金纳米条的宽度为50nm,两个金纳米条之间的距离为100nm,金纳米条厚度为50nm,非对称金纳米天线阵列上方的介质层的宽度是半无限宽。
优选的,所述非对称金纳米天线阵列的周期为350nm,两个金纳米条的长度分别为250nm、200nm,金纳米条的宽度为50nm,两个金纳米条之间的距离为100nm,金纳米条厚度为50nm,非对称金纳米天线阵列上方的介质层的宽度是10nm宽。
本发明的技术效果在于:
本发明克服了传统的金属等离激元或者石墨烯光电器件的不足和缺陷,能同时应用在近红外和中远红外的宽光谱范围内。在近红外主要依赖于金属超表面等离激元共振模式的激发,在中远红外波段主要靠的是石墨烯表面共振模式的产生,同时利用非对称的纳米天线阵列可以提高共振Q值。
附图说明
图1为金纳米天线阵列/石墨烯结构双波段等离激元传感器三维结构示意图;
图2为金纳米天线阵列/石墨烯结构正视、俯视和几何参数示意图;
图3为实施例1金纳米天线阵列/石墨烯结构双波段等离激元传感器近红外波段透射谱;
图4为实施例1金纳米天线阵列/石墨烯结构双波段等离激元传感器中远红外波段透射谱;
图5为实施例2金纳米天线阵列/石墨烯结构双波段等离激元传感器近红外波段透射谱;
图6为实施例2金纳米天线阵列/石墨烯结构双波段等离激元传感器中远红外波段透射谱;
图7为近红外波段不同介质层厚度共振波长随折射率变化线性曲线;
图8为中远红外波段不同介质层厚度共振波长随折射率变化线性曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明进一步进行说明。
基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器,所述双波段等离激元传感器由在工作波段对光波透明的基底、在基底上平铺的单层石墨烯和均匀分布的非对称金纳米天线阵列及非对称金纳米天线阵列上方的介质层构成;
所述双波段等离激元传感器的等效外界环境有效折射率范围为1~2;
所述非对称金纳米天线阵列的基本结构单元是金纳米条对二聚体,每个金纳米条对二聚体由两个厚度相同非对称的金纳米条平行排列而成;
所述金纳米条对二聚体结构尺寸均小于工作波段的光波波长;
所述透明基底的材料是玻璃;
所述非对称金纳米天线阵列周期范围为200~3000nm;
所述金纳米条的长度范围为50~3000nm,宽度范围为50nm~1500nm,厚度范围为20nm~200nm;
所述金纳米条对二聚体的非对称性在于两个金纳米条的结构尺寸不完全相同,即两个金纳米条的结构尺寸满足如下三个条件之一:(1)所述两个非对称金纳米条的长度不相同,(2)所述两个非对称金纳米条的宽度不相同,(3)所述两个非对称金纳米条结构尺寸满足(1)(2)的任意组合;
所述两个金纳米条之间的距离范围为50nm~1500nm;
所述平铺的单层石墨烯费米能级范围为0.2~0.7;
图1为发明的金纳米天线阵列/石墨烯结构双波段等离激元光学传感器三维结构示意图透明基底的材料是玻璃,在基底上平铺单层石墨烯,在石墨烯上是均匀分布的非对称金纳米天线阵列,传感器上方表示外界环境覆盖了一层介质。
图2为金纳米天线阵列/石墨烯结构正视、俯视以及几何参数示意图,其中每个金纳米条对二聚体由两个厚度相同非对称的金纳米条平行排列而成。金纳米条的厚度均为h,宽度均为w,长度分别为L1和L2,P为金纳米线条对二聚体周期长度,且P小于工作波段光波的波长,d为金纳米条之间的距离。
在实例1中非对称金纳米天线阵列的周期P=350nm,金纳米条的长度L1=250nm、L2=200nm,金纳米条的宽度w=50nm,两个金纳米条之间的距离d=100nm,金纳米条厚度h=50nm,非对称金纳米天线阵列上方的介质层的宽度是半无限宽,电场偏振方向平行于纳米条长度方向,入射方向垂直于器件所在的平面的宽光谱平面波照射到传感器上,部分光被反射、透射和吸收,利用光谱仪可以测得波长和反射率、透过率和吸收率的关系。
图3为本发明的实施例1中的传感器在近红外波段的透射谱,三条曲线分别对应上方等效外界环境有效折射率1、1.2、1.4,首先在近红外波段,金纳米条对阵列激发等离激元共振,随着外界环境折射率的改变,共振波长会发生平移。
图4为本发明的实施例1中的传感器在中远红外波段的透射谱,三条曲线分别对应上方介质层折射率1、1.2、1.4,在中远红外波段,石墨烯激发等离激元共振,随着外界环境折射率的改变,共振波长会发生平移。计算得到在近红外波段品质因子5.1,中红外波段品质因子29.7,近红外波段传感灵敏度560nm/RIU,中红外波段传感灵敏度2375nm/RIU,折射率的改变和共振峰的片平移呈现的是线性关系。
在实例2中非对称金纳米天线阵列的周期P=350nm,金纳米条的长度L1=250nm、L2=200nm,金纳米条宽度w=50nm,两个纳米条之间的距离d=100nm,金纳米条厚度h=50nm,非对称金纳米天线阵列上方的介质层的宽度是D=10nm。电场偏振方向平行于纳米条长度方向,入射方向垂直于器件所在的平面的宽光谱平面波照射到传感器上,部分光被反射、透射和吸收,利用光谱仪可以测得波长和反射率、透过率和吸收率的关系。
图5为本发明的实施例2中的传感器在近红外波段的透射谱,三条曲线分别对应上方介质层折射率1、1.2、1.4,首先在近红外波段,金纳米条对阵列激发等离激元共振,随着外界环境折射率的改变,共振波长会发生平移。
图6为本发明的实施例2中的传感器在中红外波段的透射谱,三条曲线分别对应上方介质层折射率1、1.2、1.4,在中远红外波段,石墨烯激发等离激元共振,随着外界环境折射率的改变,共振波长会发生平移。计算得到在近红外波段品质因子近红外波段0.8,中红外波段品质因子11.3,近红外波段传感灵敏度92.5nm/RIU,中红外波段传感灵敏度1050nm/RIU。
图7为近红外波段不同介质层厚度共振波长随折射率变化,针对近红外的共振峰计算了在外介质层厚度分别为无限宽和10nm两种情况下折射率改变引起的共振峰的平移线性曲线。
图8中远红外波段不同介质层厚度共振波长随折射率变化针对中远红外的共振峰计算了在外介质层厚度分别为无限宽和10nm两种情况下折射率改变引起的共振峰的平移线性曲线。把介质层厚度从无限改为10nm时,近红外和中红外波段传感灵敏度仍较高,说明非对称混合结构在近红外波段和中红外波段共振峰对折射率的改变均比较敏感。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器,其特征在于,所述双波段等离激元传感器由在工作波段对光波透明的基底、在基底上平铺的单层石墨烯和均匀分布的非对称金纳米天线阵列及非对称金纳米天线阵列上方的介质层构成;
所述双波段等离激元传感器的等效外界环境有效折射率范围为1~2;
所述非对称金纳米天线阵列的基本结构单元是金纳米条对二聚体,每个金纳米条对二聚体由两个厚度相同非对称的金纳米条平行排列而成;
所述金纳米条对二聚体结构尺寸均小于工作波段的光波波长;
所述透明基底的材料是玻璃;
所述非对称金纳米天线阵列周期范围为200~3000nm;
所述金纳米条的长度范围为50~3000nm,宽度范围为50nm~1500nm,厚度范围为20nm~200nm;
所述金纳米条对二聚体的非对称性在于两个金纳米条的结构尺寸不完全相同,即两个金纳米条的结构尺寸满足如下三个条件之一:(1)所述两个非对称金纳米条的长度不相同,(2)所述两个非对称金纳米条的宽度不相同,(3)所述两个非对称金纳米条结构尺寸满足(1)(2)的任意组合;
所述两个金纳米条之间的距离范围为50nm~1500nm;
所述平铺的单层石墨烯费米能级范围为0.2~0.7。
2.如权利要求1所述的基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器,其特征在于,所述非对称金纳米天线阵列的周期为350nm,两个金纳米条的长度分别为250nm、200nm,金纳米条的宽度为50nm,两个金纳米条之间的距离为100nm,金纳米条厚度为50nm,非对称金纳米天线阵列上方的介质层的宽度是半无限宽。
3.如权利要求1所述的基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器,其特征在于,所述非对称金纳米天线阵列的周期为350nm,两个金纳米条的长度分别为250nm、200nm,金纳米条的宽度为50nm,两个金纳米条之间的距离为100nm,金纳米条厚度为50nm,非对称金纳米天线阵列上方的介质层的宽度是10nm宽。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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