CN113280840A - 基于金纳米四棱锥结构偏振相关的等离子光学传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于金纳米四棱锥结构偏振相关的等离子光热传感器。属于微纳光电子领域，传感器包括衬底和金属四棱锥，在衬底1上刻蚀有纳米金属四棱锥2阵列。通过改变传感器尺寸L1，可以达到对覆盖整个可见光谱的光的操纵。本发明可以实现对对覆盖整个可见光谱的光的调节，且具有偏振相关特性，可以提高微纳集成光学器件在集成光电路中的集成密度。
Description
(一)技术领域
本发明涉及微纳集成光学器件技术领域，具体是指一种基于金纳米四棱锥结构偏振相关的等离子光学传感器。
(二)背景技术
随着信息技术的不断发展，人们对自然界的认知也不断加深。人们单靠自身的器官感觉对周围环境的信息获取已经不能满足人们的需求，这时候就需要新的信息获取方式，其中利用传感器来获取环境的信息这一方式就显得尤为重要。为了适应各种需求传感检测技术已经成为日常生产和生活中最为广泛和最为重要的信息获取手段。
贵金属微纳米结构迷人的光学特性自古就引起了人们的广泛关注。这些独特的光学行为与金属微纳米结构形状、尺寸、成分和周围介电环境等密切相关，其根本来源是外部光场激发下金属表面自由电子的集体振荡行为，即表面等离激元振荡，使得金属微纳米结构显现出强烈的选择性吸收和散射。此外，金属表面等离激元振荡的光学共振频率还强烈的受到表面等离激元微纳米结构近场强耦合的影响。这种强耦合效应使得金属微纳米结构在激发表面等离激元共振时具有极大的表面局域及近场增强能力，在高灵敏传感探测、增强光谱、超材料、能源、生命科学、超分辨成像、微纳米光子器件集成等领域具有巨大的应用价值。因此可以利用纳米金属的光学特性来制成的传感器。2006年，Hassani和Skorobogatiy首先提出了基于SPP的光子晶体传感器的概念。基于光子晶体光纤的表面等离激元传感器仅需要在光子晶体光纤的空气孔中的内壁上涂覆沉淀金属纳米线、纳米颗粒或者纳米薄膜。被测样品可以放置在镀有金属膜的空气气孔当中，当被测量的样品的折射率发生变化时，会影响到光纤当中传输光的耗损，因此也可以被用作测量的手段和方法。
本文提出了一种由Au纳米四棱锥组阵、和衬底组成的光学传感器。所提出的传感器通过表面等离子体极化子(SPP)模、局域Fabry-Perot共振和波导模式的混合作用工作。通过控制纳米金四棱锥结构的尺寸、排列方式，周期，可以实现对覆盖整个可见光谱的光的操纵。它有着高灵敏度，易于实现的优点，除此之外，该传感器还有偏振敏感特性，可以应用于环境监测和集成光电器件方面。
(三)发明内容
本发明提供一种基于金纳米金四棱锥结构偏振相关的等离子光学传感器，通过控制等离子体纳米结构的尺寸、几何形状可以达到对覆盖整个可见光谱的光的操纵，同时该传感器有较高灵敏度。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于金纳米金四棱锥结构偏振相关的等离子光学传感器，包括SiO2衬底和Au纳米金四棱锥，在SiO2衬底上刻蚀有金属Au纳米金四棱锥。SiO2衬底的厚度H1固定为50nm，P为Au金四棱锥的周期，L1为金四棱锥的棱长，D1为金四棱锥的底面边长。其中D1＝L1，P＝D1/2+50nm。
研究发现，此结构具有较高的灵敏度，可以控制纳米金四棱锥结构的尺寸、排列方式，周期，可以实现对覆盖整个可见光谱的光的操纵。相较于其他金属结构传感器，Au纳米金四棱锥结构有着品质因子的同时，四棱锥结构相对更易制作，且工艺成本相对不高，在实际应用中应用范围更广。
(四)附图说明
图1为金纳米金四棱锥结构偏振相关的等离子光学传感器结构示意图，图2为为光学传感器YZ方向的结构示意图。
图3为棱长L1从150nm到250nm的电场强度图。
图4为棱长L1从150nm到250nm时的热损耗图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
参照图1，一种基于金纳米金四棱锥结构偏振相关的等离子光学传感器，包括SiO2衬底和Au纳米金四棱锥，在SiO2衬底上刻蚀有金属Au纳米四棱锥。
其中SiO2衬底的厚度H1固定为50nm，P为Au金四棱锥的周期，L1为金四棱锥的棱长，D1为金四棱锥的底面边长。其中D1＝L1，P＝D1/2+50nm。
我们使用商业软件(ComsolMultiphysics，5.0版本)及其基本算法有限元法来构建我们在真空或介质基底上的金四棱锥纳米结构的理论计算模型。为了避免非物理奇点解的存在，在我们的计算模型中，对纳米四棱锥的各个尖端进行了1nm球面的圆弧化处理。在所有的模拟中，计算不同波长在金纳米四棱锥外表面上的电场强度和热损耗，来反应出该结构在不同波长下状态。
边界条件设置为，在z正负方向设置为完美匹配层(PML)，x和y正负方向设置为周期边界条件，x，y，z正负方向上的网格精度被设置跟随物理场。
入射光沿着垂直于介电衬底的方向从空气中向介电衬底中传播，入射光的偏振方向平行于x轴。k是入射光波矢的方向，k平行于z轴，方向为z轴负方向。
四棱锥材料选用Au，是因为相较于其它金属，Au是在可见光谱中灵敏度较高的金属，Au具有较低的带间过渡损耗，而且有更好抗氧化抗腐蚀的能力。
图3为不同尺寸纳米四棱锥阵列结构的偏振相关光学传感器，在改变纳米四棱锥阵列尺寸的电场强度。固定衬底50nm，选择棱长L1为150nm～250nm，当棱长L1为150nm、200nm和250nm时，L1＝150nm处的共振波长为643nm，此时电场强度最大；L1＝200nm处的共振波长为693nm，此时电场强度最大；L1＝250nm处的共振波长为731nm，此时电场强度最大；此外，我们还可以得出，随着周期的增加，共振峰会红移的结论。
为了研究L1对热损耗的影响，如图4，选取L1从150nm～250nm变化时的热损耗变化曲线，随着L1的增加共振峰产生红移,。在此基础上，热损耗曲线的峰值也逐步增加，且峰值也会红移。
本发明的基于金纳米金四棱锥结构偏振相关的等离子光学传感器可以达到对覆盖整个可见光谱的光的调节,且仅需要通过改变结构的尺寸就能实现。本发明的传感器对偏振敏感，厚度也极小，能够在集成光电器件方面发挥很大的作用。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可以做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请的范围。
Claims (6)
1.基于金纳米金四棱锥结构偏振相关的等离子光学传感器包括衬底1，衬底1上刻蚀有纳米金属金四棱锥阵列2。
2、衬底1选择材料为SiO2其厚度H1固定为50nm，纳米金属金四棱锥2材料选择为Au，纳米金属金四棱锥2的棱长为L1，纳米金属金四棱锥2的底面边长为D1，其中D1＝L1。
3、纳米金属金四棱锥2中心之间的距离为P，为所设计传感器的周期，P与纳米金属金四棱锥2的底面积边长D1固定为：P＝D1/2+50nm。
2.基于金纳米金四棱锥结构偏振相关的等离子光学传感器，其特征在于：所述衬底1上刻蚀有纳米金属金四棱锥2阵列。
3.根据权利要求1所述的基于金纳米金四棱锥结构偏振相关的等离子光学传感器，其特征在于：衬底1选择材料为SiO2，纳米金属金四棱锥2材料选择为Au。
4.根据权利要求1所述的基于金纳米金四棱锥结构偏振相关的等离子光学传感器，其特征在于：衬底1厚度H1固定为50nm。
5.根据权利要求1所述的基于金纳米金四棱锥结构偏振相关的等离子光学传感器，其特征在于：纳米金属金四棱锥2的棱长L1与纳米金属金四棱锥2的底面积边长D1的关系固定为D1＝L1。
6.根据权利要求1所述的基于金纳米金四棱锥结构偏振相关的等离子光学传感器，其特征在于：纳米金属金四棱锥2底面积的边长D1与周期P之间的关系固定为D1/2+50nm＝P。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20210820 |