CN111239082A - 一种基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种基于石墨烯‑银光栅的表面等离子体共振传感器，包括：耦合棱镜、上金属薄膜层、金属光栅层、下金属薄膜层和石墨烯层；所述上金属薄膜层附于金属光栅层的上表面，所述下金属薄膜层附于金属光栅层的下表面，所述耦合棱镜设置于所述下金属薄膜层的下方；所述石墨烯层作为生物分子识别层覆盖在上金属薄膜层之上与待测介质接触。在角度调制的模式下检测待测物折射率的变化。与传统的单层金属结构的表面等离子体共振传感器相比，引入了二维材料和金属光栅结构，显著地提高了传感器的灵敏度，具有很强的应用价值。

Description

一种基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器
技术领域
本发明属于光学传感技术领域，涉及一种基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器。
背景技术
表面等离子体共振本质上是一种光学现象。在传统的表面等离子体共振传感器中，当横磁波以大于临界角的入射角度从棱镜入射到金属表面时，金属表面电子与光子相互作用产生表面等离子体波。当表面等离子体波波矢与入射光波矢匹配时，两种波会发生强烈的耦合激发表面等离子体共振，此时入射光的能量转移到表面等离子体波中，导致反射光的能量急剧下降。从而在光谱上表现为一个反射率衰减的尖峰。在反射率最低时对应的入射角称之为共振角。
表面等离子体共振对周围介质参数的变化极为敏感。这些参数的改变会同时引起共振角度的变化，通过共振角的变化可以获取待测物的相关信息。由于表面等离子体的特性，基于表面等离子体共振的传感器具有灵敏度高、检测方便、可实时检测等诸多优点，现已广泛应用于环境监测、疾病诊断、食品安全等领域。但在生物和化学检测领域，相关的表面等离子体共振传感器显现出的灵敏度仍不能满足低分子量分析物在极度稀释环境下的检测。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器,可实现高场强表面等离子体共振模式的激发，进而实现高灵敏度传感。
本发明提供一种基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器，包括：耦合棱镜、上金属薄膜层、金属光栅层、下金属薄膜层和石墨烯层；所述上金属薄膜层附于金属光栅层的上表面，所述下金属薄膜层附于金属光栅层的下表面，所述耦合棱镜设置于所述下金属薄膜层的下方；所述石墨烯层作为生物分子识别层覆盖在上金属薄膜层之上与待测介质接触。
在本发明的基于石墨烯-银光栅的表面等离子共振传感器中，所述金属光栅层的光栅脊高度为10～100nm，光栅脊宽度为15～50nm，光栅周期为60～140nm。
在本发明的基于石墨烯-银光栅的表面等离子共振传感器中，所述金属光栅层的光栅脊高度为50nm，光栅脊宽度为50nm，光栅周期为100nm。
在本发明的基于石墨烯-银光栅的表面等离子共振传感器中，所述上金属薄膜层的厚度为10～40nm，下金属薄膜层厚度为10～50nm。
在本发明的基于石墨烯-银光栅的表面等离子共振传感器中，所述上金属薄膜层的厚度为15nm，下金属薄膜层的厚度为10nm。
在本发明的基于石墨烯-银光栅的表面等离子共振传感器中，石墨烯层的层数为0～10层，每层厚度为0.34nm。
在本发明的基于石墨烯-银光栅的表面等离子共振传感器中，所述耦合棱镜采用BK7玻璃的半球形棱镜，所述耦合棱镜的折射率大于或等于待测物的折射率。
在本发明的基于石墨烯-银光栅的表面等离子共振传感器中，所述上金属薄膜层和下金属薄膜层均为银薄膜层，金属光栅层为银光栅层。
本发明的一种基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器，引入了二维材料石墨烯与一维银光栅结构，在银光栅上下均设置一层薄银层，这样有助于有效激发表面等离子体共振；采用石墨烯作为生物分子识别层覆盖于处于金属光栅层上方薄银层之上与待测物质接触，通过耦合棱镜调节入射角度；通过选择合适的金属薄膜层厚度与金属光栅层结构参数(脊高、脊宽、周期)，有效地提高了表面等离子体共振传感器的灵敏度。
附图说明
图1是本发明的一种基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器的结构示意图；
图2是上金属薄膜层的厚度T变化时的反射谱图；
图3是下金属薄膜层的厚度m变化时的反射谱图；
图4是金属光栅层的光栅脊高h变化时的反射谱图；
图5是金属光栅层的光栅脊宽w变化时的反射谱图；
图6是金属光栅层的光栅周期Λ变化时的反射谱图；
图7是石墨烯层的层数变化时的灵敏度图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步描述。
如图1所示，本发明的一种基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器，包括：耦合棱镜5、上金属薄膜层2、金属光栅层3、下金属薄膜层4和石墨烯层1。所述上金属薄膜层2附于金属光栅层3的上表面，所述下金属薄膜层4附于金属光栅层3的下表面。所述耦合棱镜5设置于所述下金属薄膜层4的下方，下金属薄膜层4与耦合棱镜5相接触；所述石墨烯层1作为生物分子识别层覆盖在上金属薄膜层2之上与待测介质接触。
入射光经所述耦合棱镜5发生衰减全反射，通过角度调制模式实现表面等离子体共振的有效激发以及待测介质的高灵敏度检测。通过选择合适厚度上金属薄膜层2和金属光栅层3，下金属薄膜层4的结构参数，包括：脊高、脊宽、周期等，以及石墨烯层1的层数在待测介质折射率发生微小变化时，实现共振角度的显著变化，进而定义传感器的灵敏度。
进一步地，所述金属光栅层3的光栅脊高度h为10～100nm，光栅脊宽度w为15～50nm，光栅周期Λ为60～140nm。
进一步地，所述金属光栅层3的光栅脊高度h为50nm，光栅脊宽度w为50nm，光栅周期Λ为100nm。
进一步地，所述上金属薄膜层2的厚度T为10～40nm，下金属薄膜层4厚度m为10～50nm。
进一步地，所述上金属薄膜层2的厚度T为15nm，下金属薄膜层4的厚度m为10nm。
进一步地，石墨烯层1的层数为0～10层，每层厚度为0.34nm。
进一步地，所述耦合棱镜5采用BK7玻璃的半球形棱镜，所述耦合棱镜5的折射率大于或等于待测物的折射率。
进一步地，所述上金属薄膜层2和下金属薄膜层4均为银薄膜层，金属光栅层3为银光栅层。
具体实施时，本发明的一种基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器，中所述耦合棱镜5的材料为BK7玻璃，其折射率为1.5151；所述上金属薄膜层2、金属光栅层3、下金属薄膜层4均采用材料银制成，其折射率为0.05625+4.2760i；石墨烯层1的折射率为3.0+1.1487i，厚度为0.34nm；待测介质初始折射率为1.33，后变成1.335，前后折射率差为0.005；在角度调制模式下检测所述表面等离子体共振传感器灵敏度。
如图2所示，上金属薄膜层2厚度在10nm至40nm变化时，随着厚度的增加，共振角度逐渐减小，共振峰逐渐变得尖锐，以反射率最低点的值判断，在上金属薄膜层2厚度为15nm时，表面等离子体共振效果最佳。
如图3所示，下金属薄膜层4厚度在10nm至50nm变化时，对共振角度的影响不大，但表面等离子体共振的激发效果逐渐恶化。在下金属薄膜层4厚度为10nm时，表面等离子体共振激发效果最好。
如图4所示，金属光栅层3的光栅脊高在10nm至100nm范围变化时，共振角度逐渐增大，共振峰峰值(反射率最低点的值)先减小后增大，在50nm处达到最低，即在此处表面等离子体共振激发效果最佳。
如图5所示，金属光栅层3的光栅脊宽在15nm至50nm变化时，共振角度逐渐减小，反射率最低点的值也逐渐较小，在50nm处，达到表面等离子体共振激发效果最佳的条件。
如图6所示，金属光栅层3的光栅周期在60nm至140nm变化时，共振角度逐渐增大，反射率最低点的值先减小后增大，在100nm处最小，即在此处表面等离子体共振激发效果最好。
如图7所示，在表面等离子体共振达到最佳激发条件下，待测介质初始折射率为1.33，变化后折射率为1.335，变化量为0.005时，当石墨烯层1的层数在0至10层变化时，所述表面等离子体共振传感器灵敏度先增加后减小；当覆有7层石墨烯时，所属表面等离子体共振传感器灵敏度达到最大值，最大值为192°/RIU，而对于传统基于金属薄膜的表面等离子体共振传感器最大角灵敏度为96°/RIU，本发明提出的传感器灵敏度提高了2倍，可适用于对检测灵敏度要求高的生物化学领域中。
本发明的基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器，在传统表面等离子体共振传感器Kretschmann结构的基础之上，引入了二维材料石墨烯和一维银光栅。提出的结构通过选择合适的金属薄膜层厚度与金属光栅结构参数，能有效实现高场强表面等离子体共振的激发。此外，待测介质折射率微小的变化能够引起共振角度的显著变化，这可以被视为该结构的高灵敏度特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器，其特征在于，包括：耦合棱镜、上金属薄膜层、金属光栅层、下金属薄膜层和石墨烯层；所述上金属薄膜层附于金属光栅层的上表面，所述下金属薄膜层附于金属光栅层的下表面，所述耦合棱镜设置于所述下金属薄膜层的下方；所述石墨烯层作为生物分子识别层覆盖在上金属薄膜层之上与待测介质接触。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯-银光栅的表面等离子共振传感器，其特征在于，所述金属光栅层的光栅脊高度为10～100nm，光栅脊宽度为15～50nm，光栅周期为60～140nm。
3.根据权利要求2所述的基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述金属光栅层的光栅脊高度为50nm，光栅脊宽度为50nm，光栅周期为100nm。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述上金属薄膜层的厚度为10～40nm，下金属薄膜层厚度为10～50nm。
5.根据权利要求4所述的基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述上金属薄膜层的厚度为15nm，下金属薄膜层的厚度为10nm。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器，其特征在于，石墨烯层的层数为0～10层，每层厚度为0.34nm。
7.根据权利要求1所述的基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述耦合棱镜采用BK7玻璃的半球形棱镜，所述耦合棱镜的折射率大于或等于待测物的折射率。
8.根据权利要求1所述的基于石墨烯-银光栅的表面等离子体共振传感器，其特征在于，所述上金属薄膜层和下金属薄膜层均为银薄膜层，金属光栅层为银光栅层。
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