CN113670851B - 全介质超表面折射率传感器及其制备方法 - Google Patents

全介质超表面折射率传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全介质超表面折射率传感器及其制备方法，可应用于超表面技术领域。传感器由若干个介质超表面结构单元阵列组成，若干个介质超表面结构单元阵列均包括：玻璃衬底；介质超表面结构单元，所述介质超表面结构单元设置于所述玻璃衬底上，所述介质超表面结构单元包括一个方形介质块和两个半圆环形介质柱，所述方形介质块位于介质超表面结构单元的正中心，所述两个半圆环形介质柱的外曲面分别与方形介质块的两个相对侧面相接，且所述两个半圆环形介质柱相对所述方形介质块开口向外，每个所述介质超表面结构单元呈中心对称。本发明避免了金属材料带来的欧姆损耗通过破坏结构在入射光偏振方向的对称性，提高传感器的品质因数和分辨率。

Description

全介质超表面折射率传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及超表面技术领域，尤其是一种全介质超表面折射率传感器及其制备方法。
背景技术
生命科学和纳米技术是当今科学领域的两大研究热点。随着生物传感技术和纳米技术的发展，近年来，微纳光学折射率传感器由于其结构紧凑，对周围环境折射率高敏感性，在光学生物传感领域具有越来越重要的地位，逐渐成为前沿研究领域的热点。在生物传感领域，折射率传感通过溶液折射率的细微变化反应生物分子数量的变化，相比于荧光标记法、电化学分析法等检测方法，可实现实时、无标记传感，具有操作更简单，检测速度更快，不破坏待测样品等优点。
目前，微纳光学生物传感器大多为基于表面等离激元共振(Surface PlasmonResonance,SPR)技术的金属微纳光学传感器、基于光纤传感技术的微结构光纤传感器以及基于光子晶体微腔技术的微纳传感器。基于SPR技术的金属微纳光学传感器存在不可避免的欧姆损耗，导致传感器用于传感检测的透射/反射特征峰的半高全宽较大，传感器的品质因数较低，限制了其传感性能进一步的提高；基于光纤传感技术的微结构光纤传感器由于光纤的截止波长导致其测量范围受到限制，同时由于光纤几何形状使得它很难与传统的微纳图案化技术和光刻技术相结合，限制了基于光纤的传感器与其它片上光学元件及微系统的集成化；基于光子晶体微腔技术的微纳传感器需要人为的引入缺陷，且对波源、缺陷层材料都有较高的要求，导致其制备和传感器系统的成本较高。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种全介质超表面折射率传感器及其制备方法，具有较高的品质因数和分辨率。
第一方面，本发明实施例提供了一种全介质超表面折射率传感器，所述传感器由若干个介质超表面结构单元阵列组成，所述若干个介质超表面结构单元阵列均包括：
玻璃衬底；
介质超表面结构单元，所述介质超表面结构单元设置于所述玻璃衬底上，所述介质超表面结构单元包括一个方形介质块和两个半圆环形介质柱，所述方形介质块位于介质超表面结构单元的正中心，所述两个半圆环形介质柱的外曲面分别与方形介质块的两个相对侧面相接，且所述两个半圆环形介质柱相对所述方形介质块开口向外，每个所述介质超表面结构单元呈中心对称。
可选地，所述玻璃衬底为透明玻璃衬底。
可选地，所述透明玻璃衬底的材料采用二氧化硅，所述透明玻璃衬底的折射率范围为[1.44，1.46]。
可选地，所述透明玻璃衬底的第一方向的周期范围为[500nm，1000nm]，与所述第一方向垂直的第二方向的周期范围为[500nm，1000nm]。
可选地，所述介质超表面结构单元的材料采用单晶硅。
可选地，所述方形介质块和所述两个半圆环形介质柱的厚度范围为[50nm，100nm]。
可选地，所述方形介质块的边长范围为[160nm，240nm]。
可选地，所述两个半圆环形介质柱的内圆半径范围为[30nm，80nm]，所述两个半圆环形介质柱的外圆半径范围为[90nm，150nm]，所述两个半圆环形介质柱的圆心与所述介质超表面结构单元的正中心在所述第二方向的距离范围均为[40nm，60nm]。
第二方面，本发明实施例提供了一种应用于第一方面实施例所述的全介质超表面折射率传感器的制备方法，包括以下步骤：
在所述玻璃衬底上沉积一层硅薄膜；
通过旋涂法利用离心力先后将增强剂、光刻胶正胶和对电子束透明的导电溶液均匀涂覆在所述硅薄膜表面，控制转速和时间来控制光刻胶厚度，得到厚度均匀的光刻胶；
根据所述超表面结构图，将高能电子束照射到所述光刻胶上进行预设步长的扫描曝光；
使用显影液溶解经电子束曝光的光刻胶，预设时间后采用化学试剂清洗残留的显影液；
采用电感耦合增强反应离子刻蚀设备对所述硅薄膜进行刻蚀；
使用去光刻胶溶液去除溶解后的光刻胶，得到所述传感器。
可选地，所述硅薄膜的厚度范围为[50nm，100nm]。
本发明实施例提供的一种全介质超表面折射率传感器，具有如下有益效果：
本实施例通过在玻璃衬底上设置介质超表面结构单元，并通过一个方形介质块和两个半圆环形介质柱组成介质超表面结构单元，将两个半圆环形介质柱的外曲面分别与方形介质块的两个相对侧面相接，且两个半圆环形介质柱相对方形介质块开口向外，每个介质超表面结构单元呈中心对称，从而避免了金属材料带来的欧姆损耗，同时通过破坏结构在入射光偏振方向的对称性，提高传感器的品质因数和分辨率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明实施例的一种全介质超表面折射率传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例的单个介质超表面结构单元的结构示意图；
图3为本发明实施例的单个介质超表面结构单元的俯视图；
图4为本发明实施例的一种全介质超表面折射率传感器的制备方法的流程图；
图5为本发明实施例的测量不同折射率的溶液时，X偏振光正入射时透射率的仿真计算结果示意图；
图6为本发明实施例的测量不同折射率的液体时谐振波长漂移示意图；
图7为本发明实施例的拟合的传感器灵敏度示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在目标待测物质含量较低，目标物质各参数变化引起的折射率变化很小的情况下，也能检测出目标待测物质，则必须进一步提高传感器的分辨率和品质因数。而随着超材料的出现，为调制电磁波增添了新的手段。其中，超表面具有二维超材料的超薄、成本低、易集成等特性。全介质超表面的固有损耗较低，基于全介质超表面的折射率传感器的品质因数得到了明显的提高，传感器的性能得到了进一步的提升，使得基于折射率的传感器在极低溶度分子检测中的应用成为可能。
基于此，参照图1，本发明实施例提供了一种全介质超表面折射率传感器。其中，传感器由若干个介质超表面结构单元阵列组成，若干个介质超表面结构单元阵列均包括玻璃衬底100和设置于玻璃衬底100上的介质超表面结构单元。其中，如图1和图2所示，介质超表面结构单元包括一个方形介质块200和两个半圆环形介质柱300，方形介质块200位于介质超表面结构单元的正中心，两个半圆环形介质柱300的外曲面分别与方形介质块200的两个相对侧面相接，且两个半圆环形介质柱300相对方形介质块200开口向外，每个介质超表面结构单元呈中心对称。
在一些可选的实施例中，玻璃衬底为透明玻璃衬底。透明玻璃衬底的材料采用二氧化硅，透明玻璃衬底的折射率范围设置为[1.44，1.46]。透明玻璃衬底的第一方向的周期范围为[500nm，1000nm]，与第一方向垂直的第二方向的周期范围为[500nm，1000nm]。如图2和图3所示，透明玻璃衬底100在x方向的周期范围为[500nm，1000nm]，透明玻璃衬底100在y方向的周期范围为[500nm，1000nm]。介质超表面结构单元的材料采用单晶硅。方形介质块200和两个半圆环形介质柱300的厚度范围均设置为[50nm，100nm]。方形介质块200的边长范围设置为[160nm，240nm]。两个半圆环形介质柱300的内圆半径范围均设置为[30nm，80nm]，两个半圆环形介质柱300的外圆半径范围为[90nm，150nm]，其中，两个半圆环形介质柱300的圆心与介质超表面结构单元的正中心在第二方向的距离范围均为[40nm，60nm]。即如图2和图3所示，两个半圆环形介质柱的圆心与介质超表面结构单元的正中心在y方向的距离范围均为[40nm，60nm]。在上述结构参数范围内，在近红外波段能在透射光谱图上可以看到一个半峰全宽极窄的透射谷，从而极大地提高传感器的检测极限。
对于单个小于波长尺度的介质超表面结构单元来说，其对于电磁波的调控是有限的，而大量小于波长的介质超表面结构单元按照一定规律排布，如图1所示，两个相邻的介质超表面结构单元中的方形介质块左右对齐，相邻的两个介质超表面结构单元中正对的两个半圆环形介质柱的开口存在错位。基于这种排布方式，以较小的的尺寸实现现有的电磁波器件的功能，从而便于实现电磁波器件的小型化和集成。
参照图4，本发明实施例提供了一种应用于图1所示的全介质超表面折射率传感器的制备方法，包括以下步骤：
S41、在玻璃衬底上沉积一层硅薄膜。在一些可选的实施例中，薄膜的厚度范围可设置为[50nm，100nm]。
S42、通过旋涂法利用离心力先后将增强剂、光刻胶正胶和对电子束透明的导电溶液均匀涂覆在硅薄膜表面，控制转速和时间来控制光刻胶厚度，得到厚度均匀的光刻胶。具体地，光刻胶正胶也称为正性光刻胶，正性光刻胶是一种叫做线性酚醛树脂的酚醛甲醛，提供光刻胶的粘附性、化学抗蚀性，当没有溶解抑制剂存在时，线性酚醛树脂会溶解在显影液中。增强剂可选择六甲基乙硅氮烷。导电溶液用于避免荷电效应导致的曝光图案畸形。
S43、根据超表面结构图，将高能电子束照射到光刻胶上进行预设步长的扫描曝光。其中，预设步长可以根据实际情况调整。
S44、使用显影液溶解经电子束曝光的光刻胶，预设时间后采用化学试剂清洗残留的显影液。具体的，显影液可以采用二甲苯，化学试剂可以采用异丙醇。本步骤清洗显影液能防止显影液过显。
S45、采用电感耦合增强反应离子刻蚀设备对硅薄膜进行刻蚀；
S46、使用去光刻胶溶液去除溶解后的光刻胶，得到传感器。具体地，去光刻胶溶液可以采用N-甲基-2-吡咯烷酮。
基于上述实施例制备的传感器，使用多物理场仿真软件进行仿真运算。其中，X偏振光沿Z轴方向入射到超表面时透射率的仿真计算结果如图5所示。其中，X偏振光是指沿Z轴方向传播时振动方向局限在XOZ平面的光波。当待测溶液的折射率n＝1.45时，通过多物理场仿真模拟在波长为853.51nm处由于谐振出现一个透射谷，透射谷的半高全宽为0.06nm。
根据上述仿真数据绘制得到的图6可知，当结构上方覆盖的溶液折射率变化时，透射谷出现的位置也会有规律的发生改变，具体表现为溶液折射率变大时，透射谷的位置会发生红移。
通过对介质超表面单元上方溶液折射率以1.45为基准进行步长为0.01的线性增大，得到每一个透射谷的波长位置。传感器灵敏度的计算是改变单位折射率下谐振波长的变化来标定的，通过图7可知传感器的灵敏度S＝Δλ/Δn＝320nm/RIU，其中Δλ为谐振波长的变化量，Δn为折射率变化量，直线斜率为传感器灵敏度。而传感器的半高全宽为FWHM＝0.06nm，由此可知品质因数FOM＝S/FWHM≈5333RIU-1。超表面结构在入射光偏振方向的不对称性，在很大程度上能提高传感器的品质因数，由此可知，本实施例提出的全介质超表面品质因数超过了大多数已有的全介质超表面传感器。
其中，上述图5、图6和图7中的Wavelength为入射光波长，Transmittance为透射谱，Δn为折射率变化量，Δλ为谐振波长的变化量。
综上，基于介质超表面的光检测折射率传感具有灵敏度高、操作性强、不受电磁干扰、体积小高集成等优点，在生物传感、环境监测、化学和食品工业等热门领域都有强大的竞争力，在实际中具有广阔的应用前景。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (9)

1.一种全介质超表面折射率传感器，其特征在于，所述传感器由若干个介质超表面结构单元阵列组成，所述若干个介质超表面结构单元阵列均包括：
玻璃衬底；
介质超表面结构单元，所述介质超表面结构单元设置于所述玻璃衬底上，所述介质超表面结构单元包括一个方形介质块和两个半圆环形介质柱，所述方形介质块位于介质超表面结构单元的正中心，所述两个半圆环形介质柱的外曲面分别与方形介质块的两个相对侧面相接，且所述两个半圆环形介质柱相对所述方形介质块开口向外，每个所述介质超表面结构单元呈中心对称；所述玻璃衬底的第一方向的周期范围为[500nm，1000nm]，与所述第一方向垂直的第二方向的周期范围为[500nm，1000nm]。
2.根据权利要求1所述的一种全介质超表面折射率传感器，其特征在于，所述玻璃衬底为透明玻璃衬底。
3.根据权利要求2所述的一种全介质超表面折射率传感器，其特征在于，所述透明玻璃衬底的材料采用二氧化硅，所述透明玻璃衬底的折射率范围为[1.44，1.46]。
4.根据权利要求1所述的一种全介质超表面折射率传感器，其特征在于，所述介质超表面结构单元的材料采用单晶硅。
5.根据权利要求1所述的一种全介质超表面折射率传感器，其特征在于，所述方形介质块和所述两个半圆环形介质柱的厚度范围为[50nm，100nm]。
6.根据权利要求5所述的一种全介质超表面折射率传感器，其特征在于，所述方形介质块的边长范围为[160nm，240nm]。
7.根据权利要求2所述的一种全介质超表面折射率传感器，其特征在于，所述两个半圆环形介质柱的内圆半径范围为[30nm，80nm]，所述两个半圆环形介质柱的外圆半径范围为[90nm，150nm]，所述两个半圆环形介质柱的圆心与所述介质超表面结构单元的正中心在所述第二方向的距离范围均为[40nm，60nm]。
8.一种应用于权利要求1-7任一项所述的全介质超表面折射率传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在所述玻璃衬底上沉积一层硅薄膜；
通过旋涂法利用离心力先后将增强剂、光刻胶正胶和对电子束透明的导电溶液均匀涂覆在所述硅薄膜表面，控制转速和时间来控制光刻胶厚度，得到厚度均匀的光刻胶；
根据超表面结构图，将高能电子束照射到所述光刻胶上进行预设步长的扫描曝光；
使用显影液溶解经电子束曝光的光刻胶，预设时间后采用化学试剂清洗残留的显影液；
采用电感耦合增强反应离子刻蚀设备对所述硅薄膜进行刻蚀；
使用去光刻胶溶液去除溶解后的光刻胶，得到所述传感器。
9.根据权利要求8所述的一种全介质超表面折射率传感器的制备方法，其特征在于，所述硅薄膜的厚度范围为[50nm，100nm]。
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