CN111879728A - 一种提高折射率传感器件品质因数的结构及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高折射率传感器件品质因数的结构及测试方法，属于传感器折射率品质因数的领域。该结构由基底、位于基底表面的复合层组成，所述复合层包括上金属层、中间半导体层和下介电层，其中上金属层为周期性的金属纳米颗粒阵列，中间半导体层为周期性的半导体纳米柱阵列，下介电层为周期性的介电纳米柱阵列。利用本发明中金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振、半导体纳米柱的米氏共振与周期阵列的衍射波之间的多元耦合作用，以及介电纳米柱减弱的衬底效应，能获得灵敏度较高、带宽极窄的等离激元晶格共振，克服了传统金属等离激元晶格共振结构存在带宽较宽的问题，提高了折射率传感器件的品质因数，在生物、医学、食品等领域具有广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高折射率传感器件品质因数的结构及测试方法，属于传感器折射率品质因数装置技术领域。
背景技术
周期性金属纳米颗粒阵列因支持等离激元晶格共振能产生高增强的局域电磁场，在高性能传感领域有着广泛的应用前景。基于等离激元晶格共振传感器的传感性能主要由品质因数所决定，其品质因数定义为等离激元晶格共振对周围介质环境的灵敏度除以等离激元晶格共振带宽(半高宽)，很明显，可以通过提高灵敏度和/或减小等离激元晶格共振带宽来改善品质因数。
然而，等离激元晶格共振特性对阵列的结构参数和介质环境的变化非常敏感，导致在实际应用中，由于对金属纳米颗粒阵列起支撑作用的衬底材料比空气具有更高的折射率，与衬底接触的金属表面电磁场会耦合进入介质衬底中。这会减弱相应的电磁场强度并增加共振的带宽，使得等离激元晶格共振被抑制，以致实际检测中难以分辨几个纳米甚至是几十纳米的峰位置移动，从而无法有效、准确地用于传感分析。因此，衬底效应是制约金属等离激元晶格共振结构传感器发展的关键技术问题之一。
为了克服以上技术问题，典型的就是《Nano Letters》在2008年8卷11期3893–3898页上登载的“Enhanced nanoplasmonic optical sensors with reduced substrate”一文，AlexandreDmitriev等人设计了一种支撑在二氧化硅纳米柱上的金纳米圆盘阵列结构，发现金纳米圆盘表面的电磁场显著增强，在一定程度上提高了金纳米圆盘阵列的传感灵敏度。在最近(2020年3月)的一项工作中(X.Huang,C.Lou,H.Zhang,H.Yang,“Effects ofdifferentstructural parameters and the medium environment on plasmoniclattice resonance formed by Agnanospheres on SiO2 nanopillar arrays”,ChineseOptics Letters(2020)18(3),33601)，黄小丹等人证实支撑在二氧化硅纳米柱上的银纳米球阵列，可以形成等离激元晶格共振，产生高增强的局域电磁。但该结构在用于传感检测时，仍存在带宽较宽(15nm)的问题，以至于其品质因数较小。因此，等离激元晶格共振的带宽需进一步减小，品质因数需进一步提高。
发明内容
本发明为了解决上述背景技术中提到的金属等离激元晶格共振结构传感器带宽较宽，品质因数较小的问题，提供一种提高折射率传感器件品质因数的结构及测试方法。
本发明提出一种提高折射率传感器件品质因数的结构，包括基底和位于基底表面的若干阵列排列的复合层，所述复合层包括金属层、半导体层和介电层，所述金属层、半导体层和介电层从上至下依次排布，其中金属层为周期性的金属纳米颗粒阵列，半导体层为周期性的半导体纳米柱阵列，介电层为周期性的介电纳米柱阵列。
优选地，所述金属层的金属纳米颗粒阵列、半导体层的半导体纳米柱阵列、介电层的介电纳米柱阵列具有相同的周期和对称性，周期为300-2000nm。
优选地，所述金属层的金属纳米颗粒阵列的材料是金、银、铜、铝中的任意一种，所述金属纳米颗粒的形状为球状、半球状或圆柱状，所述金属纳米颗粒的直径小于300nm。
优选地，所述半导体层的半导体纳米柱阵列的材料是硅、锗中的任意一种，所述半导体纳米柱的形状为圆柱状或梯形柱状。
优选地，所述介电层的介电纳米柱阵列的材料是二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、氟化镁中的任意一种，所述介电纳米柱的形状为圆柱状或梯形柱状。
优选地，所述基底的材料是石英、玻璃、硅中的任意一种。
一种利用所述的提高折射率传感器件品质因数的结构的测试方法，具体包括以下步骤：
(1)利用FDTD Solutions微纳光学仿真软件构建所述的提高折射率传感器件品质因数的结构中一个周期单元的物理模型，然后在该单元结构的四周边界上设置周期性边界条件，在该单元结构的上下边界上设置完全吸收边界条件，在该物理模型的上表面设置一束垂直入射光源，计算相应物理模型在可见光-近红外波段的透射谱曲线、反射谱曲线；
(2)根据步骤(1)的透射谱，按照从小到大的顺序依次设置不同背景折射率，计算不同背景折射率所对应的不同透射谱曲线；
(3)根据不同透射谱曲线的最小值可以得到对应的波长，将不同折射率与所述的不同透射谱曲线的最小值对应的波长绘制成对应关系点图，并采用线性拟合的方式将对应关系点图拟合成直线图，然后利用波长变化值除以折射率变化值得到灵敏度；
(4)根据透射谱曲线可以得到透射谱带宽，随后将步骤(3)中计算得到的灵敏度除以透射谱带宽，得到所述品质因数。
优选地，步骤(2)中不同背景折射率为气体折射率或液体折射率。
本发明所述的提高折射率传感器件品质因数的结构的有益效果为：
1、本发明所述的提高折射率传感器件品质因数的结构支持可以调节的等离激元晶格共振，该等离激元晶格共振具有较窄的带宽，能有效地实现高增强的局域电磁场，对周围介质环境非常敏感，在高性能传感领域有着广泛的应用前景。
2、与现有其它等离激元晶格共振结构传感器相比，本发明结构提供更多的调控自由度。利用本发明中金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振、半导体纳米柱的米氏共振与周期阵列的衍射波之间的多元耦合作用，以及介电纳米柱减弱的衬底效应，能获得灵敏度较高、带宽极窄的等离激元晶格共振，从而克服了传统金属等离激元晶格共振结构传感器存在带宽较宽的问题，对折射率传感器件品质因数的提高具有很显著的作用，在生物、医学、食品等领域具有广泛应用。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1是本发明所述的提高折射率传感器件品质因数的结构的结构示意图；
图中：1-金属层；2-半导体层；3-介电层；4-基底；5-垂直方向入射光。
图2为使用FDTD Solutions软件计算实施例1折射率传感器件探测液体背景折射率的透射谱曲线示意图。
图3为实施例1折射率传感器件探测不同液体背景折射率与不同透射谱曲线最小值对应的波长绘制的对应关系点图，并用线性拟合的方式将对应关系点图拟合成的直线图。
图4为使用FDTD Solutions软件计算对比例1折射率传感器件探测液体背景折射率的透射谱曲线示意图。
图5为对比例1折射率传感器件探测不同液体背景折射率与不同透射谱曲线最小值对应的波长绘制的对应关系点图，并用线性拟合的方式将对应关系点图拟合成的直线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-5说明本实施方式。本具体实施方式中所述的提高折射率传感器件品质因数的结构，包括基底4和位于基底4表面的若干阵列排列的复合层，所述复合层包括金属层1、半导体层2和介电层3，所述金属层1、半导体层2和介电层3从上至下依次排布，其中金属层1为周期性的金属纳米颗粒阵列，半导体层2为周期性的半导体纳米柱阵列，介电层3为周期性的介电纳米柱阵列。
所述金属层1的金属纳米颗粒阵列、半导体层2的半导体纳米柱阵列、介电层3的介电纳米柱阵列具有相同的周期和对称性，周期为300-2000nm。
所述金属层1的金属纳米颗粒阵列的材料是金、银、铜、铝中的任意一种，所述金属纳米颗粒的形状为球状、半球状或圆柱状，所述金属纳米颗粒的直径小于300nm。
所述半导体层2的半导体纳米柱阵列的材料是硅、锗中的任意一种，所述半导体纳米柱的形状为圆柱状或梯形柱状。
所述介电层3的介电纳米柱阵列的材料是二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、氟化镁中的任意一种，所述介电纳米柱的形状为圆柱状或梯形柱状。
所述基底4的材料是石英、玻璃、硅中的任意一种。
本发明提供的一种提高折射率传感器件品质因数的结构支持可以调节的等离激元晶格共振，该等离激元晶格共振是由金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振、半导体纳米柱的米氏共振与周期阵列的衍射波之间的多元耦合作用所形成的。其中，金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振与其尺寸、材料、形貌、周围环境等因素有关；半导体纳米柱的米氏共振与其尺寸、材料、周围环境等因素有关；周期阵列的衍射波与阵列周期、入射光方向等因素有关。因此，通过材料和结构参数的优化，可以使金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振、半导体纳米柱的米氏共振与周期阵列的衍射波产生强烈的耦合，形成性能优异的等离激元晶格共振。该等离激元晶格共振具有较窄的带宽，能有效地实现高增强的局域电磁场，对周围介质环境非常敏感，可以显著地提高折射率传感器件的品质因数。
一种利用所述的提高折射率传感器件品质因数的结构的测试方法，具体包括以下步骤：
(1)利用FDTD Solutions微纳光学仿真软件构建上述阵列结构中一个周期单元的物理模型，然后在该单元结构的四周边界上设置周期性边界条件，在该单元结构的上下边界上设置完全吸收边界条件，在该物理模型的上表面设置一束垂直入射光源，计算相应物理模型在可见光-近红外波段的透射谱曲线、反射谱曲线；
(2)根据步骤(1)的透射谱，按照从小到大的顺序依次设置不同背景折射率(n)，计算不同背景折射率所对应的不同透射谱曲线；
(3)根据不同透射谱曲线的最小值可以得到对应的波长，将不同折射率与所述的不同透射谱曲线的最小值对应的波长绘制成对应关系点图，并采用线性拟合的方式将对应关系点图拟合成直线图，然后利用波长变化值除以折射率变化值得到灵敏度(S)；
(4)根据透射谱曲线可以得到透射谱带宽(半高宽)，随后将步骤(3)中计算得到的灵敏度除以透射谱带宽，得到所述品质因数。
所述步骤(2)中背景折射率为气体折射率或液体折射率。
实施例1：
如图1所示，本发明提供的一种提高折射率传感器件品质因数的结构包括基底4、位于基底表面的下介电层3、位于下介电层上方的中间半导体层2和位于中间半导体层上方的上金属层1；所述上金属层1为周期性的银纳米圆柱阵列，所述中间半导体层2为周期性的硅纳米圆柱阵列，所述下介电层3为周期性的二氧化硅纳米圆柱阵列，所述基底4为石英基底，所述上金属层1的银纳米圆柱阵列、中间半导体层2的硅纳米圆柱阵列、下介电层3的二氧化硅纳米圆柱阵列具有相同的周期和对称性。
上述银纳米圆柱的直径和高度都为100nm；硅纳米圆柱的直径为100nm、高度为80nm；二氧化硅纳米圆柱的直径为100nm、高度为500nm；银纳米圆柱阵列、硅纳米圆柱阵列、二氧化硅纳米圆柱阵列都为正方形阵列，周期都为450nm。
上述实施例1折射率传感器件品质因数的测试方法包括如下步骤：
(1)利用FDTD Solutions微纳光学仿真软件构建上述阵列结构中一个周期单元的物理模型，然后在该单元结构的四周边界上设置周期性边界条件，在该单元结构的上下边界上设置完全吸收边界条件，在该物理模型的上表面设置一束垂直方向的入射光源5(图1)，计算相应物理模型在580-720nm波段的透射谱曲线。
(2)根据步骤(1)的透射谱，按照从小到大的顺序依次设置不同背景折射率(n)，折射率参数从1.33增加到1.42，每次增加0.01。当折射率为1.33时，从580-720nm波段进行扫描，得到第一根透射谱曲线；折射率增加为1.34时，波长扫描计算得到第二根透射谱曲线；以此类推，直到当折射率增加为1.42时，波长扫描计算得到第十根透射谱曲线，如图2所示，通过观察这十根透射谱曲线会发现透射谱曲线随背景折射率的增加而红移。由图2可知，当背景折射率从1.33增加到1.42时，其透射谱曲线最小值对应的波长从618nm增加到659nm。
(3)图3为实施例1折射率传感器件在不同背景折射率与不同透射谱曲线的最小值对应的波长关系点图，再通过线性拟合的方式得到图中直线，该直线的斜率即为折射率灵敏度(S)，为456nm/单位折射率。
(4)根据图2可知，透射谱曲线的带宽(半高宽)约为7nm，将灵敏度除以透射谱带宽，得到所述实施例1折射率传感器件的品质因数约为65。
对比例1：
对比例1折射率传感器件由石英基底、位于基底表面的二氧化硅纳米圆柱周期阵列、位于二氧化硅纳米圆柱周期阵列上方的银纳米圆柱周期阵列组成。其中，银纳米圆柱的直径和高度都为100nm；二氧化硅纳米圆柱的直径为100nm、高度为500nm；银纳米圆柱周期阵列、二氧化硅纳米圆柱周期阵列都为正方形阵列，周期都为450nm。
进一步地，上述对比例1折射率传感器件品质因数的测试方法包括如下步骤：
(1)利用FDTD Solutions微纳光学仿真软件构建上述对比例1结构中一个周期单元的物理模型，然后在该单元结构的四周边界上设置周期性边界条件，在该单元结构的上下边界上设置完全吸收边界条件，在该物理模型的上表面设置一束垂直方向的入射光源，计算相应物理模型在580-720nm波段的透射谱曲线。
(2)根据步骤(1)的透射谱，按照从小到大的顺序依次设置不同背景折射率(n)，折射率参数从1.33增加到1.42，每次增加0.01。当折射率为1.33时，从580-720nm波段进行扫描，得到第一根透射谱曲线；折射率增加为1.34时，波长扫描计算得到第二根透射谱曲线；以此类推，直到当折射率增加为1.42时，波长扫描计算得到第十根透射谱曲线，如图4所示。通过观察这十根透射谱曲线会发现透射谱曲线随背景折射率的增加而红移。由图4可知，当背景折射率从1.33增加到1.42时，其透射谱曲线最小值对应的波长从630nm增加到671nm。
(3)图5为对比例1折射率传感器件在不同背景折射率与不同透射谱曲线的最小值对应的波长关系点图，再通过线性拟合的方式得到图中直线，该直线的斜率即为折射率灵敏度(S)，为456nm/单位折射率。
(4)根据图4可知，透射谱曲线的带宽(半高宽)约为17nm，将灵敏度除以透射谱带宽，得到所述对比例1折射率传感器件的品质因数约为27。
综上所述，与对比例1折射率传感器件结构相比，实施例1折射率传感器件结构可以进一步降低透射谱带宽，由此提高了其品质因数。FDTD模拟结果表明，实施例1折射率传感器件结构的透射谱带宽可以窄至7nm，比对比例1折射率传感器件结构的透射谱带宽(17nm)窄了两倍多。得益于较窄的透射谱带宽，实施例1折射率传感器件结构的品质因数比对比例1折射率传感器件结构的品质因数提高了两倍多。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种提高折射率传感器件品质因数的结构，其特征在于，包括基底(4)和位于基底(4)表面的若干阵列排列的复合层，所述复合层包括金属层(1)、半导体层(2)和介电层(3)，所述金属层(1)、半导体层(2)和介电层(3)从上至下依次排布，其中金属层(1)为周期性的金属纳米颗粒阵列，半导体层(2)为周期性的半导体纳米柱阵列，介电层(3)为周期性的介电纳米柱阵列。
2.根据权利要求1所述的提高折射率传感器件品质因数的结构，其特征在于，所述金属层(1)的金属纳米颗粒阵列、半导体层(2)的半导体纳米柱阵列、介电层(3)的介电纳米柱阵列具有相同的周期和对称性，周期为300-2000nm。
3.根据权利要求1或2所述的提高折射率传感器件品质因数的结构，其特征在于，所述金属层(1)的金属纳米颗粒阵列的材料是金、银、铜、铝中的任意一种，金属纳米颗粒的形状为球状、半球状或圆柱状，所述金属纳米颗粒的直径小于300nm。
4.根据权利要求1或2所述的提高折射率传感器件品质因数的结构，其特征在于，所述半导体层(2)的半导体纳米柱阵列的材料是硅、锗中的任意一种，半导体纳米柱的形状为圆柱状或梯形柱状。
5.根据权利要求1或2所述的提高折射率传感器件品质因数的结构，其特征在于，所述介电层(3)的介电纳米柱阵列的材料是二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、氟化镁中的任意一种，介电纳米柱的形状为圆柱状或梯形柱状。
6.根据权利要求1或2所述的提高折射率传感器件品质因数的结构，其特征在于，所述基底(4)的材料是石英、玻璃、硅中的任意一种。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述的提高折射率传感器件品质因数的结构的测试方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)利用FDTD Solutions微纳光学仿真软件构建所述的提高折射率传感器件品质因数的结构中一个周期单元的物理模型，然后在该单元结构的四周边界上设置周期性边界条件，在该单元结构的上下边界上设置完全吸收边界条件，在该物理模型的上表面设置一束垂直入射光源，计算相应物理模型在可见光-近红外波段的透射谱曲线、反射谱曲线；
(2)根据步骤(1)的透射谱，按照从小到大的顺序依次设置不同背景折射率，计算不同背景折射率所对应的不同透射谱曲线；
(3)根据不同透射谱曲线的最小值可以得到对应的波长，将不同折射率与所述的不同透射谱曲线的最小值对应的波长绘制成对应关系点图，并采用线性拟合的方式将对应关系点图拟合成直线图，然后利用波长变化值除以折射率变化值得到灵敏度；
(4)根据透射谱曲线可以得到透射谱带宽，随后将步骤(3)中计算得到的灵敏度除以透射谱带宽，得到所述品质因数。
8.根据权利要求7所述的利用提高折射率传感器件品质因数的结构的测试方法，其特征在于，步骤(2)中不同背景折射率为气体折射率或液体折射率。
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