CN111896500A - 基于金属纳米结构和单层TMDs复合体系折射率传感器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于金属纳米结构和单层TMDs复合体系折射率传感器及方法。本发明采用金属纳米结构和单层过渡金属硫化物紧贴组成的复合结构，在可见光波段，实现几乎可以独立操控的局域表面等离激元折射率传感器；将金属纳米结构的局域表面等离激元与TMDs二维材料的激子相融合，结合两者的优势，有着极好的传感性能，能够满足新型传感器的指标要求；散射光谱增强，从而达到增强信噪比的效果，当外界环境发生变化时，谱线线宽相对于单个金属纳米结构变窄，提取出丰富的结构信息，因此实现高灵敏度的传感；有利于缩小器件尺寸，在高度集成的局域表面等离激元传感器中具有潜在应用；本发明具有结构简单，体积小，信噪比高，灵敏度高，响应快的优点。

Description

基于金属纳米结构和单层TMDs复合体系折射率传感器及方法

技术领域

本发明涉及光学传感技术，具体涉及一种基于金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的折射率传感器及其传感方法。

背景技术

金属纳米结构局域表面等离激元共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)可将自由空间传播的光场高效地收集并汇聚，形成纳米尺度“热点”局域光场。其倏逝近场对环境参数具有很高的敏感性。基于局域表面等离激元原理，此类传感器通过光学方法将被测量(输入量)转换成另一个可观测量(输出量)的传感装置。当传播常数受到外界环境折射率(介电常数)的影响时，表面等离激元的共振条件发生变化，能够精确、实时的检测出外界环境参量的变化。近年来，由于表面等离激元纳米传感器尺寸小，精度高、灵敏度高、无破坏性等一系列优点，已经受到了研究者的广泛关注。但是，在一些实际应用中，除了需要电场增强以外，还需要较窄的共振谱线线宽。例如，在基于折射率变化的生物传感器中，其检测极限不仅取决于LSPR对周围介质环境变化的灵敏度，还取决于谱线线宽。只有具有较窄的线宽时，当谱线发生较小位移时，其变化才会被高灵敏的检测出来。

一种将纳米颗粒加入生物体系中，利用暗场成像光谱系统追踪单个纳米颗粒的共振峰漂移，可以实现超高分辨的局域化学环境的检测。

一种研究者利用金纳米结构传感技术实现了对蛋白分子的检测。再进一步结合LSPR纳米天线与传统的回音壁模式微腔时，其灵敏度可进一步提高。

然而，上述介电常数的测量方法大多测试流程复杂，灵敏度和响应较低。其中主要原因之一是由于LSPR具有较强的辐射损失，通常表现出较宽的线宽。

随着石墨烯等二维材料研究的快速进展和材料制备技术的不断革新，以单层过渡金属硫化物TMDs为代表的二维层状结构的半导体材料也被逐渐研究并应用。单层过渡金属硫化物材料体系拥有诸多优良的性质，如良好的机械柔韧性和热稳定性。同时，由于其显著减弱的介电屏蔽效应和量子限制效应使得TMDs中的导带电子和价带空穴之间库仑相互作用很强，从而在可见-近红外区间具有强烈的激子效应。然而，单层或几层TMDs材料自身的光捕获能力还不够，且自身对环境折射率变化的响应能力很低。

发明内容

为了解决现有表面等离激元光学传感技术存在的问题，本发明提出了一种基于金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的折射率传感器及其传感方法，灵敏度高且制备方便。

本发明的一个目的在于提出一种基于金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的折射率传感器。

本发明的基于金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的折射率传感器包括传感元件和光学测量装置；其中，传感元件包括衬底、单层过渡金属硫化物和金属纳米结构；单层过渡金属硫化物转移到衬底上，单层过渡金属硫化物为二维直接带隙半导体材料；金属纳米结构固定在单层过渡金属硫化物的表面，构成金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系；光学测量装置采用透射式暗场测量或者反射式暗场测量的暗场散射光谱测量系统；暗场散射白光作为激发光源，经物镜汇聚，在透射式暗场测量时，衬底采用透明衬底，暗场散射白光从透明衬底的背面垂直照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上，在反射式暗场测量时，暗场散射白光直接垂直照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上；单个金属纳米结构产生等效连续态的局域表面等离激元，单层过渡金属硫化物产生等效离散态的激子；单层过渡金属硫化物中的离散态的激子与单个金属纳米结构中的连续态的局域表面等离激元相干涉，产生非对称的散射共振线型，即法诺共振；在法诺共振位置处，系统辐射损耗被有效抑制，具有更大的场增强以及更加精细的光谱；金属纳米结构作为局域表面等离激元纳米天线增强了单层过渡金属硫化物中光与物质的相互作用；由于激子与局域表面等离激元之间存在共振能量转移，单层过渡金属硫化物作为增益介质，通过调控金属纳米结构的退相干时间，从而降低其辐射损耗，减小线宽；光学测量装置接收具有法诺共振的散射光，并提取分析散射光的光谱信号，利用法诺模型对散射光的光谱信号进行拟合，得到共振波长，并根据已知的敏感因子，得到溶液环境的折射率。

单层过渡金属硫化物的厚度为0.7～1nm。单层过渡金属硫化物采用二硫化钨WS₂、二硫化钼MoS₂、二硒化钨WSe₂和硒化钼MoSe₂中的任意一种。

金属纳米结构的尺寸为纳米量级。本发明中采用的构型为金纳米棒，尺寸为直径20～40纳米，长60～120纳米。

衬底采用二氧化硅玻璃或氧化铟锡玻璃(ITO)的透明衬底，或者采用不透明硅片。

激发光源发出的暗场散射白光经物镜汇聚在传感元件上，其光束大小为1～1.3μm²。

光学测量装置包括：暗场散射光源、分束镜、物镜、透镜和光谱仪；其中，暗场散射光源发出暗场散射白光作为激发光源，经分束镜后，由物镜汇聚，垂直入射至传感元件上；散射光和沿原路返回的反射光经分束镜由透镜汇聚后同时进入光谱仪中，扣除背景杂散光信号后，得到溶液环境的散射光的光谱信号。

本发明的另一个目的在于提出一种基于金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的传感方法。

本发明的基于金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的传感方法，包括以下步骤：

一、传感元件的制备

1.单层过渡金属硫化物转移在衬底上，单层过渡金属硫化物为二维直接带隙半导体材料；

2.金属纳米结构固定在单层过渡金属硫化物的表面，构成金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系；

二、光学测量装置的搭建

a)光学测量装置的暗场散射光源发出暗场散射白光作为激发光源，经分束镜后，由物镜汇聚，在透射式暗场测量时，衬底采用透明衬底，暗场散射白光从透明衬底的背面垂直照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上，在反射式暗场测量时，暗场散射白光直接垂直照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上；

b)单个金属纳米结构产生等效连续态的局域表面等离激元，单层过渡金属硫化物产生等效离散态的激子；

c)单层过渡金属硫化物中的离散态的激子与单个金属纳米结构中的连续态的局域表面等离激元相干涉，产生非对称的散射共振线型，即法诺共振；在法诺共振位置处，系统辐射损耗被有效抑制，具有更大的场增强以及更加精细的光谱；金属纳米结构作为局域表面等离激元纳米天线极大地增强了单层过渡金属硫化物中光与物质的相互作用；由于激子与局域表面等离激元之间存在共振能量转移，单层过渡金属硫化物作为增益介质，通过调控金属纳米结构的退相干时间，从而降低其辐射损耗，减小线宽；

三、敏感因子的获取

a)将传感元件放置在折射率已知的第一标准溶液中；

b)光学测量装置发射出暗场散射白光作为激发光源，经物镜汇聚，从透明衬底的背面照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上或直接垂直照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上；

c)光学测量装置接收具有法诺共振的散射光，并提取分析散射光的光谱特征，利用法诺模型对光谱仪收集的散射光进行拟合，得到第一标准溶液对应的共振波长λ₁；

d)将传感元件放置在折射率已知的第二标准溶液中，第二标准溶液的折射率与第一标准溶液的折射率不同，重复步骤b)～c)，得到第二标准溶液对应的共振波长λ₂；

e)根据得到的已知折射率的第一和第二标准溶液，以及对应的共振波长，通过下式计算得到敏感因子m：

λ₁-λ₂＝m×(n₁-n₂)

其中，λ₁和λ₂分别为两种不同折射率的第一和第二标准溶液对应的共振波长，n₁和n₂分别为第一和第二标准溶液对应的折射率，n₁≠n₂；

四、溶液环境的折射率的获取

1)将传感元件放置在折射率未知的待测的溶液环境中；

2)光学测量装置发射出暗场散射白光作为激发光源，经物镜汇聚，从透明衬底的背面照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上或直接垂直照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上；

3)光谱仪接收具有法诺共振的散射光，并提取分析散射光的光谱信号，利用法诺模型对散射光的光谱信号进行拟合，得到共振波长λ_lsp；

4)通过共振波长和步骤三中得到的敏感因子m，计算得到溶液环境的折射率：

λ_lsp-λ₁＝m×(n-n₁)或

λ_lsp-λ₂＝m×(n-n₂)

其中，λ_lsp为步骤3)获得的共振波长，m为敏感因子，n为待测的溶液环境的折射率。

其中，在步骤一的1.中，采用化学气相沉积(CVD)生长的单层过渡金属硫化物直接生长在蓝宝石衬底上，经过聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)湿法转移到衬底上或利用蒸气处理的聚二甲基硅氧烷(PDMS)快速转移到衬底，通过这种方法能够获得大面积的二维材料。但该种方法得到的二维材料缺陷较多。基于过渡金属硫化物层与层之间靠微弱的范德瓦耳斯力结合，可以采用机械剥离的方法从块体材料上获得单层过渡金属硫化物，再利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)干法转移到衬底上。通过该种方法可获得缺陷少的二维材料，但通常情况，其面积比较小。

在步骤一的2.中，通过种子介质生长法获得金属纳米结构；将稀释好的金属纳米结构水溶液滴在有单层过渡金属硫化物的表面，轻轻吹干表面残余的水分，金属纳米结构就会吸附在单层过渡金属硫化物的表面。需要注意的是为了得到单分散性较好的金属纳米结构，稀释前可以适当将溶液超声，且离心清洗表面活性剂时转速不能过大，以免金纳米结构发生团簇现象。获得单个金属纳米结构的平均间距在2微米以上，能够避免颗粒之间的耦合，能够用于单颗粒的光谱测量；通过电子束曝光刻蚀或聚焦离子束刻蚀的纳米加工方法获得纳米金属阵列结构，其中纳米金属阵列结构由多个周期性金属纳米结构构成。上述两种纳米加工方法能够较为精确控制纳米结构的尺寸与间距，精度大约在10纳米量级。

本发明的优点：

本发明以Fano共振作为干涉现象的微观起源，是规避LSPR辐射损失导致线宽的有效办法,即将LSPR模式与其他具有线宽较窄的共振模式进行相干耦合。基于该效应的复合结构传感器的品质因数(FoM，环境变化引起的共振位移除以共振线宽)可以得到大幅提升。本发明将金属纳米结构的局域表面等离激元与TMDs二维材料的激子相融合，结合两者的优势，有着极好的传感性能，能够越来越好的满足新型传感器的指标要求。本发明采用金属纳米结构和单层过渡金属硫化物紧贴组成的复合结构，在可见光波段实现基于单颗粒结构的局域表面等离激元折射率传感器。在该复合结构中，散射光谱增强，从而达到增强信噪比的效果，更大的优势是当外界环境发生变化时，谱线线宽相对于单个金属纳米结构变窄，谱线形状(法诺共振、强耦合、光致透明)发生明显变化，可以提取出丰富的结构信息，因此可以实现高灵敏度的传感。结合TMDs材料柔性可集成以及金属纳米结构尺寸小的特点，有利于缩小器件尺寸，该复合结构在高度集成的局域表面等离激元传感器中具有潜在应用。同时，由于TMDs材料具有电控可集成的优点，可以为电驱动集成表面等离激元传感器提供新的思路。本发明具有结构简单，体积小，信噪比高，灵敏度高，响应快的优点，同时也为其他表面等离激元器件提供了新的设计思路。

附图说明

图1为本发明的基于金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的折射率传感器的一个实施例的示意图，其中，(a)为传感器传感元件示意图，(b)为光学测量装置；

图2为根据本发明的基于金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的折射率传感器的一个实施例得到的金纳米棒的散射光谱对照图，其中，(a)为单个金纳米棒在空气中、水中和甘油中的散射光谱图，(b)为在WSe₂上单个金纳米棒在空气中、水中和甘油中的散射光谱图；(c)为线性拟合散射光谱强度随折射率的变化图；

图3为根据本发明的基于金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的折射率传感器的一个实施例得到的采用Fano模型拟合的散射光谱图，其中，(a)～(c)分别为在空气中、水中和甘油中得到的实验数据以及采用Fano模型拟和得到的散射光谱图；

图4为根据本发明的基于金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的折射率传感器的一个实施例得到的FDTD模拟散射光谱图，其中，(a)为玻璃片上单个金纳米棒在空气中、水中和甘油中的散射光谱图，(b)为在WSe₂上单个纳米棒在空气中、水中和油中的散射光谱图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例基于金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的折射率传感器包括传感元件和光学测量装置；其中，传感元件包括透明衬底Ⅰ、单层过渡金属硫化物Ⅱ和金属纳米结构Ⅲ，单层过渡金属硫化物转移到透明衬底上，单层过渡金属硫化物为二维直接带隙半导体材料；金属纳米结构固定在单层过渡金属硫化物的表面。

光学测量装置包括暗场散射光源1、分束镜2、物镜3、压电工作台4、传感元件5、挡光板6、透镜7、光谱仪8；其中，暗场散射光源1采用卤素灯发出暗场散射白光作为激发光源，物镜3采用油浸物镜，经油浸物镜的分束镜后，由物镜汇聚，垂直入射至传感元件5上，传感元件5放置在压电工作台4上；散射光和沿原路返回的反射光经分束镜由透镜7汇聚后同时进入光谱仪8中，扣除背景杂散光信号后，得到被测样品的散射光的光谱信号。

本实施例中所用的透明衬底为24mm×32mm，厚度约0.13mm，折射率为1.49的二氧化硅玻璃片；从Six-Carbon公司购买的直接生长在蓝宝石衬底上的化学气相沉积法(CVD)生长的单层WSe₂，再利用蒸汽处理后的聚二甲基硅氧烷(PDMS)直接将二维材料转移到衬底上，可获得百微米量级的二维材料，在玻璃片上WSe₂的折射率为1.69±0.02；金属纳米结构采用金属纳米棒，种子介质生长法合成的不同长径比的金纳米棒，并将稀释好的金纳米棒水溶液滴在二维材料表面，吹干表面残余的水分，金纳米棒就会吸附在二维材料的表面。为了获得分散性较好的纳米颗粒，稀释前将溶液超声，且离心清洗表面活性剂时转速不要过大，以免金纳米棒发生团簇现象。由此可获得在WSe₂表面均匀分布，平均间隔在2μm左右的金纳米棒颗粒，有效避免颗粒之间的相互耦合。基于商用暗场显微镜(BX51，奥林巴斯)构造了暗场光谱测量系统，可对单个纳米颗粒进行光学表征。以卤素灯做暗场散射光源，经过分束镜进入油浸物镜后垂直汇聚到传感元件上，当白光照射到空白背景上时，反射光沿原路返回进入到光谱仪中，这时利用一个中心全黑，四周透明的挡板将原路返回的白光挡住，通过光谱仪上实时显示的信号调整挡板的位置，可以阻止绝大部分背景信号进入光谱仪，少数杂散光信号可以利用软件直接扣除。这时就得到了一个类似暗场散射的背景环境，此时再将传感元件台移动到有纳米颗粒的位置，纳米颗粒的散射信号可以不被遮挡地进入到光谱仪中。

暗场散射白光激发金属纳米结构产生局域表面等离激元，并且激发单层过渡金属硫化物产生激子，局域表面等离激元为连续态，激子为离散态；连续的局域表面等离激元与离散的激子发生相干耦合作用，产生非对称的散射共振，即法诺共振。金纳米结构作为局域表面等离激元纳米天线极大地增强了单层过渡金属硫化物中光与物质的相互作用。由于激子与局域表面等离激元之间存在共振能量转移，单层过渡金属硫化物作为增益介质，调控金纳米结构的退相干时间，从而降低其辐射损耗，减小线宽。然后，提取并分析散射光的光谱特征：由于散射光谱正比于波长依赖的散射截面，因此采用法诺模型，通过散射截面公式进行拟合得到散射光谱线型，通过散射光谱线型得到共振峰位，和非对称参数q，即耦合因子。进而获取溶液环境的折射率。详细过程如下所述。散射截面σsc(ω)表达式如下：

其中，散射横截面由两部分决定：一是二维材料的激子模式(在法诺模型中对应于暗模式)的散射截面σ_ex(ω)，二是金属纳米结构的局域表面等离激元模式(在法诺模型中对应于亮模式)的散射截面σ_pl(ω)。ω_ex和γ_ex分别为激子的共振频率和线宽，ω_pl和γ_pl分别为局域表面等离激元的共振频率和线宽，q为Fano非对称参数，b为由于固有损耗引起的阻尼参数，a为共振时的最大振幅，这些参量均通过拟合实验数据得到。当金属纳米结构表面等离激元模式的电偶极矩大于TMDs中激子模式的电偶极矩，两个模式的失谐量较大时，局域表面等离激元和激子之间的相互作用较弱，|q|＜＜1；而随着外界环境介电常数的不断增大，金属纳米结构的局域表面等离激元模式和TMDs中激子模式之间的失谐量减小，两者之间的相互作用增强，|q|越来越接近于1。在拟合散射数据时，通过不断的调整q值因子的大小，散射光谱与Fano共振线型会实现最优拟合，使用最优拟合时的参数可以实现折射率传感分析。

接下来，对其折射率传感特性做进一步的说明:如图2(a)所示，为玻璃片上的金纳米棒在空气中(n＝1)、水中(n＝1.33)、甘油中(n＝1.47)的散射光谱,随着介质折射率不断增大，散射峰发生红移，散射强度减小。图2(b)为WSe₂上的金纳米棒处在不同介质中的散射光谱。相比于单独的金纳米棒，金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系散射光谱发生红移，散射强度增强，线宽变窄，且在750nm处发生明显劈裂，显示出更加丰富的光谱信息。在从空气-水-甘油的介质环境变化过程中，散射光谱的主峰(取两峰中强度最大的为主峰)能量发生红移。散射强度减小。图2(c)中，b₁和b₂分别代表单个金纳米棒和单层过渡金属硫化物复合体系的散射光谱主峰强度随折射率变化的斜率。在本实施例中，以其中一种情况做具体分析。在空气中时，金纳米棒的共振峰能量比WSe₂激子峰大，散射光谱以短波长为主。当在水中时，金纳米棒的LSPR红移,能量与WSe₂激子峰能量大致相当，则散射光谱中两个峰的强度也大致相等。在甘油中时，金纳米棒的共振峰能量比WSe₂激子峰能量小，在散射光谱中长波长占主导。由上述结果可得，金纳米棒的LSPR与WSe₂激子峰之间的失谐量经历了先变小后变大的过程。为了提高实验结果的可信度，对10～20个纳米棒的散射信号进行测量，实验结果出现了相同的趋势。因此，本发明结果具有可信度和可重复性。继而，分析玻璃片上有无WSe₂的散射主峰强度随环境折射率的变化可得，金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的散射强度变化速率比玻璃片上单个金纳米棒快。

如图3所示，为了定量分析实验结果，采用法诺模型对散射光谱进行了拟合来获得LSPR红移量以及线宽变化值。图3(a)～(c)分别在空气中，水中和甘油中得到的实验数据以及采用Fano模型拟和得到的散射光谱图，不同的环境折射率对应不同的非对称参数q。当LSPR在664nm处的金纳米棒从空气中到水中时，共振峰红移了60nm，然而在玻璃片上的WSe₂激子峰不受介质折射率影响，考虑到由于WSe₂高折射率导致的金纳米棒红移了18nm，金纳米棒与WSe₂激子峰之间失谐量小于6nm，在散射光谱中劈裂的两个峰的光谱强度大致相等。当在甘油中时，LSPR继续红移了27nm，失谐量变大，散射光谱以长波长为主。由Fano模型能够精确的得到散射光谱共振峰的位置，即得到共振波长。最后根据：

λ_lsp-λ₁＝m×(n-n₁)

其中，λ_lsp为实验测量所得的共振波长，λ₁为已知折射率的第一标准溶液中的共振波长。m为敏感因子。因此，在实际应用中，先采用标准溶液获得传感器的敏感因子，再将其置于未知折射率溶液中，通过测量其LSPR值，由上述方程就可以得出未知溶液折射率。相比于单个金纳米棒，耦合结构的散射光谱包含了更多的信息，可以更精确的、更敏感的测量溶液环境折射率的变化。

模拟结果如图4所示，采用时域有限差分法FDTD分别计算了处在玻璃片(n＝1.41)和单层WSe₂(厚度为1nm，n＝1.69±0.02)上长径比为2.32的金纳米棒分别在空气中、水中、甘油中的散射光谱。在玻璃片上的金纳米棒的LSPR峰位于664nm处,处于单层WSe₂上的金纳米棒的LSPR发生红移，强度减弱且在750nm处发生劈裂。与实验值相比，劈裂值发生了5nm的偏差,散射峰红移量(17nm)相同。

本发明的局域表面等离激元传感器既能够直接对外界环境的折射率进行检测，同时也能够用于生物蛋白领域，即与含有分析物的分子接触，由于其传播常数受到吸附物折射率(介电常数)变化的影响，使得局域表面等离激元的共振条件发生明显改变。该传感器通过将折射率信息转换成光谱信息，从而实现灵敏度高、响应速度快、可集成的纳米折射率传感器。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种基于金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的折射率传感器，其特征在于，所述折射率传感器包括传感元件和光学测量装置；其中，传感元件包括衬底、单层过渡金属硫化物和金属纳米结构；单层过渡金属硫化物转移到衬底上，单层过渡金属硫化物为二维直接带隙半导体材料；金属纳米结构固定在单层过渡金属硫化物的表面，构成金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系；光学测量装置采用透射式暗场测量或者反射式暗场测量的暗场散射光谱测量系统；暗场散射白光作为激发光源，经物镜汇聚，在透射式暗场测量时，衬底采用透明衬底，暗场散射白光从透明衬底的背面垂直照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上，在反射式暗场测量时，暗场散射白光直接垂直照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上；单个金属纳米结构产生等效连续态的局域表面等离激元，单层过渡金属硫化物产生等效离散态的激子；单层过渡金属硫化物中的离散态的激子与单个金属纳米结构中的连续态的局域表面等离激元相干涉，产生非对称的散射共振线型，即法诺共振；在法诺共振位置处，系统辐射损耗被有效抑制，具有更大的场增强以及更加精细的光谱；金属纳米结构作为局域表面等离激元纳米天线增强了单层过渡金属硫化物中光与物质的相互作用；由于激子与局域表面等离激元之间存在共振能量转移，单层过渡金属硫化物作为增益介质，通过调控金属纳米结构的退相干时间，从而降低其辐射损耗，减小线宽；光学测量装置接收具有法诺共振的散射光，并提取分析散射光的光谱信号，利用法诺模型对散射光的光谱信号进行拟合，得到共振波长，并根据已知的敏感因子，得到溶液环境的折射率。

2.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述单层过渡金属硫化物的厚度为0.7～1nm。

3.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述单层过渡金属硫化物采用单层过渡金属硫化物采用二硫化钨、二硫化钼、二硒化钨和硒化钼中的一种。

4.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述衬底采用二氧化硅玻璃或氧化铟锡玻璃的透明衬底，或者采用不透明硅片。

5.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述激发光源发出的暗场散射白光经物镜汇聚在传感元件上，其光束大小为1～1.3μm²。

6.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述光学测量装置包括：暗场散射光源、分束镜、物镜、透镜和光谱仪；其中，暗场散射光源发出暗场散射白光作为激发光源，经分束镜后，由物镜汇聚，垂直入射至传感元件上；散射光和沿原路返回的反射光经分束镜由透镜汇聚后同时进入光谱仪中，扣除背景杂散光信号后，得到溶液环境的散射光的光谱信号。

7.一种如权利要求1所述的基于金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的折射率传感器的传感方法，其特征在于，所述传感方法包括以下步骤：

一、传感元件的制备

1.单层过渡金属硫化物转移在衬底上，单层过渡金属硫化物为二维直接带隙半导体材料；

2.金属纳米结构固定在单层过渡金属硫化物的表面，构成金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系；

二、光学测量装置的搭建

a)光学测量装置的暗场散射光源发出暗场散射白光作为激发光源，经分束镜后，由物镜汇聚，在透射式暗场测量时，衬底采用透明衬底，暗场散射白光从透明衬底的背面垂直照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上，在反射式暗场测量时，暗场散射白光直接垂直照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上；

b)单个金属纳米结构产生等效连续态的局域表面等离激元，单层过渡金属硫化物产生等效离散态的激子；

c)单层过渡金属硫化物中的离散态的激子与单个金属纳米结构中的连续态的局域表面等离激元相干涉，产生非对称的散射共振线型，即法诺共振；在法诺共振位置处，系统辐射损耗被有效抑制，具有更大的场增强以及更加精细的光谱；金属纳米结构作为局域表面等离激元纳米天线极大地增强了单层过渡金属硫化物中光与物质的相互作用；由于激子与局域表面等离激元之间存在共振能量转移，单层过渡金属硫化物作为增益介质，通过调控金属纳米结构的退相干时间，从而降低其辐射损耗，减小线宽；

三、敏感因子的获取

a)将传感元件放置在折射率已知的第一标准溶液中；

b)光学测量装置发射出暗场散射白光作为激发光源，经物镜汇聚，从透明衬底的背面照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上或直接垂直照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上；

c)光学测量装置接收具有法诺共振的散射光，并提取分析散射光的光谱特征，利用法诺模型对光谱仪收集的散射光进行拟合，得到第一标准溶液对应的共振波长λ₁；

d)将传感元件放置在折射率已知的第二标准溶液中，第二标准溶液的折射率与第一标准溶液的折射率不同，重复步骤b)～c)，得到第二标准溶液对应的共振波长λ₂；

e)根据得到的已知折射率的第一和第二标准溶液，以及对应的共振波长，通过下式计算得到敏感因子m：

λ₁-λ₂＝m×(n₁-n₂)

其中，n₁和n₂分别为第一和第二标准溶液对应的折射率，n₁≠n₂；

四、溶液环境的折射率的获取

1)将传感元件放置在折射率未知的待测的溶液环境中；

2)光学测量装置发射出暗场散射白光作为激发光源，经物镜汇聚，从透明衬底的背面照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上或直接垂直照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上；

3)光谱仪接收具有法诺共振的散射光，并提取分析散射光的光谱信号，利用法诺模型对散射光的光谱信号进行拟合，得到共振波长λ_lsp；

4)通过共振波长和步骤三中得到的敏感因子m，计算得到溶液环境的折射率：

λ_lsp-λ₁＝m×(n-n₁)或

λ_lsp-λ₂＝m×(n-n₂)

其中，λ_lsp为步骤3)获得的共振波长，m为敏感因子，n为待测的溶液环境的折射率。

8.如权利要求7所述的传感方法，其特征在于，在步骤一的1.中，采用化学气相沉积生长的单层过渡金属硫化物直接生长在蓝宝石衬底上，经过聚甲基丙烯酸甲酯湿法转移到衬底上或利用蒸气处理的聚二甲基硅氧烷快速转移到衬底；或者机械剥离的方法从块体材料上获得单层过渡金属硫化物，再利用聚二甲基硅氧烷干法转移到衬底上。

9.如权利要求7所述的传感方法，其特征在于，在步骤一的2.中，通过种子介质生长法获得金属纳米结构：将稀释好的金属纳米结构水溶液滴在有单层过渡金属硫化物的表面，吹干表面残余的水分，金属纳米结构就会吸附在单层过渡金属硫化物的表面；获得单个金属纳米结构的平均间距在2微米以上，能够避免颗粒之间的耦合，能够用于单颗粒的光谱测量；或者通过纳米加工方法获得纳米金属阵列结构，纳米金属阵列结构由多个周期性的金属纳米结构构成。

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