CN114942232A - 一种高灵敏度太赫兹传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高灵敏度太赫兹传感器，包括：基底；金属微结构阵列，包括若干金属微结构单元，所述金属微结构阵列覆盖于所述基底上，形成超表面；金属纳米结构，所述金属纳米结构位于所述金属微结构阵列的缝隙处；其中，所述金属微结构阵列以及金属纳米结构均通过脉冲激光直写刻蚀基底上的金属薄膜形成。本发明通过超表面和金属纳米结构协同增强太赫兹波，促进太赫兹波与分析物充分作用，提升太赫兹检测灵敏度。

Description

一种高灵敏度太赫兹传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器制备技术领域，尤其涉及一种高灵敏度太赫兹传感器及其制备方法。
背景技术
太赫兹波位于电子学与光子学的中间过渡区域，具有众多独特的优势，太赫兹波的透射能力强，对大部分非极性物质和介电材料都具有良好的穿透性，所以可利用此特性进行透视成像、无损探测等等；具有“指纹谱”特性，大多数生物大分子和极性分子分子间的振动和转动能级跃迁都恰好处于太赫兹频段内，因此利用太赫兹波与物质分子发生共振，可有效鉴定物质的组成成分以及检测物质的含量；光子能量低，对机体和生物组织不会引起热损伤。不会产生有害生物组织的电离辐射。但是，由于技术水平有限，直接用太赫兹源进行物质鉴别灵敏度比较低。
为了解决太赫兹源能量较低问题，研究人员主要通过超表面传感器增强太赫兹检测灵敏度。超表面是一类具有亚波长结构单元的人工复合材料。通过合理设计太赫兹超表面的结构，使得超表面对样品加入所引起的介电常数变化十分敏感，从而实现物质的高灵敏度检测。具体来说，当太赫兹波入射到超表面时，由于超表面能够产生场增强，增强太赫兹波与检测物质分子间的相互作用，从而提高太赫兹波谱技术的检测灵敏度。但由于高灵敏度超表面需要复杂的结构设计，而且目前以光刻为主的超表面制备工艺复杂，成本高，制备周期长。因此，亟需设计灵敏度更高的太赫兹传感器、并提出新的简便制备方法，以推动太赫兹传感技术的应用。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种高灵敏度太赫兹传感器，通过超表面和金属纳米结构协同增强太赫兹波，促进太赫兹波与分析物充分作用，提升太赫兹检测灵敏度。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种高灵敏度太赫兹传感器，包括：
基底；
金属微结构阵列，包括若干金属微结构单元，所述金属微结构阵列覆盖于所述基底上，形成超表面；
金属纳米结构，所述金属纳米结构位于所述金属微结构阵列的缝隙处；
其中，所述金属微结构阵列以及金属纳米结构均通过脉冲激光直写刻蚀基底上的金属薄膜形成。
进一步地，通过激光扫描基底上的金属薄膜，形成金属微结构阵列，所述金属微结构阵列包括若干金属微结构单元；通过控制激光参数控制扫描路径经过区域金属薄膜熔融脱湿，在表面张力作用下形成金属纳米结构。
进一步地，通过改变激光加工参数，获得不同形状、尺寸、密度的金属纳米结构。
进一步地，通过改变不同区域的激光参数，获得金属纳米结构阵列的不同空间分布状态。
进一步地，激光的功率密度为10μJ/cm2-100mJ/cm2、脉宽为10ps-500ns、波长为200nm-1700nm。
进一步地，所述金属微结构单元的尺寸在μm至亚mm量级，任意设计所述金属微结构单元的形状。
进一步地，所述金属纳米结构的尺寸为nm至亚μm量级，任意设计所述金属纳米结构。
进一步地，所述金属微结构阵列的成分，包括但是不限于金或者银。
进一步地，所述金属纳米结构的成分，包括但是不限于金或者银，金属纳米结构包括但不限于球状、放射状、多面体状、线状等。
本发明的有益效果：
本发明所提出的高灵敏度太赫兹传感器，金属微结构阵列构成超表面实现太赫兹波局域增强，处于微结构阵列缝隙处的金属纳米结构之间的“尖端效应”进一步增强局域太赫兹场强，最终实现超表面和金属纳米结构协同增强太赫兹波，促进太赫兹波与分析物充分作用，提升太赫兹检测灵敏度。
本发明提出的传感器可以通过脉冲激光直写刻蚀制备，大大简化了加工流程、减小加工成本、具有高度的加工柔性、缩短了加工周期，有利于推动太赫兹传感技术的发展和应用。
附图说明
图1为本发明实施例的一种高灵敏度太赫兹传感器的制备方法示意图；
图2为本发明实施例1得到的高灵敏度太赫兹传感器示意图；
图3为本发明实施例2得到的高灵敏度太赫兹传感器示意图；
图4为本发明实施例3得到的高灵敏度太赫兹传感器示意图；
附图标记：
1-金属微结构阵列；2-金属纳米结构；3-基底层；4-脉冲激光束；5-金属薄膜层。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受于下面公开的具体实施的限制。
根据本发明实施例的一种高灵敏度太赫兹传感器，包括：基底、金属微结构阵列和金属纳米结构；金属微结构阵列包括若干金属微结构单元，所述金属微结构阵列覆盖于所述基底上，金属纳米结构位于所述金属微结构阵列的缝隙处。金属微结构阵列构成超表面，实现太赫兹波局域增强，处于微结构阵列缝隙处的金属纳米结构进一步增强局域太赫兹场强，最终实现超表面和金属纳米结构协同增强太赫兹波，促进太赫兹波与分析物充分作用，提升太赫兹检测灵敏度。
该传感器通过脉冲激光直写刻蚀基底上金属薄膜，可便利制备不同形状金属微结构阵列以及纳米结构。具体地，根据本发明实施例的一种高灵敏度太赫兹传感器的制备方法，通过激光扫描基底上的金属薄膜，形成金属微结构阵列，所述金属微结构阵列包括若干金属微结构单元；通过控制激光参数控制扫描路径经过区域金属薄膜熔融脱湿，在表面张力作用下形成金属纳米结构。
进一步的，通过改变激光加工参数，获得不同形状、尺寸、密度的金属纳米结构。通过改变不同区域的激光参数，获得金属纳米结构阵列的不同空间分布状态。
进一步的，激光的功率密度为10μJ/cm2-100mJ/cm2、脉宽为10ps-500ns、波长为200nm-1700nm。
进一步的，所述金属微结构单元的尺寸在μm至亚mm量级，任意设计所述金属微结构单元的形状。所述金属纳米结构的尺寸为nm至亚μm量级，任意设计所述金属纳米结构。所述金属微结构阵列的成分为金或者银。所述金属纳米结构的成分，包括但是不限于金或者银。金属纳米结构包括但不限于球状、放射状、多面体状、线状等。
实施例1
采用硅基底的厚度为300μm，硅基底上银膜厚度10nm。
一种用高灵敏度太赫兹传感器的制备方法，具体制备步骤如下：
步骤一：调节脉冲激光器参数，激光功率密度为1mJ/cm2、脉宽为10ns、波长为1064nm；
步骤二：将脉冲激光聚焦到银膜表面；
步骤三：根据金属微结构形状调节脉冲激光路径，进行加工，激光的扫描速度为10mm/s；
激光扫过的路径处金属薄膜熔融，随后在表面张力作用下形成均匀纳米金属结构。得到如示意图2的传感器结构，其中金属微结构线宽5μm，缝隙间距5μm，周期200μm，金属纳米结构平均直径为80nm，金属纳米结构铺覆于整个超表面。
利用传感器测量百菌清含量，实验结果证明，该传感器可最小检测到10ng的百菌清，相较于光刻制作的无纳米结构协同增强的太赫兹超表面传感器最小检测量约1μg，灵敏度提升了约100倍。
实施例2
采用硅基底的厚度为300μm，硅基底上银膜厚度10nm。
一种用高灵敏度太赫兹传感器的制备方法，具体制备步骤如下：
步骤一：调节脉冲激光器参数，激光功率密度为100μJ/cm2、脉宽为15ps、波长为1064nm；
步骤二：将脉冲激光聚焦到银膜表面；
步骤三：调节脉冲激光路径，进行加工，扫描速度为100mm/s，激光扫过的路径处金属薄膜完全剥落；
步骤四：调节脉冲激光器参数：激光功率密度为1mJ/cm2、脉宽为10ns、波长为1064nm，调节脉冲激光路径，进行加工，扫描速度为30mm/s，激光扫过的路径处金属薄膜熔融，随后在表面张力作用下形成均匀纳米金属结构。
得到如示意图3的传感器结构，其中金属微结构线宽5μm，缝隙间距5μm，周期200μm，金属纳米结构平均直径为80nm，金属纳米结构铺覆于超表面局部区域。
经过上述的过程之后，利用传感器测量百菌清含量，实验结果证明，该传感器可最小检测到23ng的百菌清，相较于光刻制作的无纳米结构协同增强的太赫兹超表面传感器最小检测量约1μg，灵敏度提升了约43倍。
实施例3
采用硅基底的厚度为300μm，硅基底上银膜厚度20nm。
一种用高灵敏度太赫兹传感器的制备方法，具体制备步骤如下：
步骤一：调节脉冲激光器参数，激光功率密度为3mJ/cm2、脉宽为10ns、波长为1064nm；
步骤二：将脉冲激光聚焦到银膜表面；
步骤三：调节脉冲激光路径，进行加工，扫描速度为100mm/s，激光扫过的路径处金属薄膜完全剥落；
步骤四：调节脉冲激光器参数：激光功率密度为3mJ/cm2、脉宽为10ns、波长为1064nm，调节脉冲激光路径，进行加工，扫描速度为50mm/s，激光扫过的路径处金属薄膜熔融，随后在表面张力作用下形成均匀纳米金属结构。
得到如示意图4的传感器结构，其中金属微结构线宽5μm，缝隙间距5μm，周期200μm，金属纳米结构直径为200nm。控制激光参数，可改变金属纳米结构直径，金属纳米结构铺覆于整个表面。
经过上述的过程之后，利用传感器测量百菌清含量，实验结果证明，该传感器可最小检测到75ng的百菌清，相较于光刻制作的无纳米结构协同增强的太赫兹超表面传感器最小检测量约1μg，灵敏度提升了约13倍。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种高灵敏度太赫兹传感器，其特征在于，包括：
基底；
金属微结构阵列，包括若干金属微结构单元，所述金属微结构阵列覆盖于所述基底上，形成超表面；
金属纳米结构，所述金属纳米结构位于所述金属微结构阵列的缝隙处；
其中，所述金属微结构阵列以及金属纳米结构均通过脉冲激光直写刻蚀基底上的金属薄膜形成。
2.一种高灵敏度太赫兹传感器的制备方法，其特征在于，通过激光扫描基底上的金属薄膜，形成金属微结构阵列，所述金属微结构阵列包括若干金属微结构单元；通过控制激光参数控制扫描路径经过区域金属薄膜熔融脱湿，在表面张力作用下形成金属纳米结构。
3.根据权利要求2所述的高灵敏度太赫兹传感器的制备方法，其特征在于，通过改变激光加工参数，获得不同形状、尺寸、密度的金属纳米结构。
4.根据权利要求2所述的高灵敏度太赫兹传感器的制备方法，其特征在于，通过改变不同区域的激光参数，获得金属纳米结构阵列的不同空间分布状态。
5.根据权利要求2所述的高灵敏度太赫兹传感器的制备方法，其特征在于，激光的功率密度为10μJ/cm2-100mJ/cm2、脉宽为10ps-500ns、波长为200nm-1700nm。
6.根据权利要求2所述的高灵敏度太赫兹传感器的制备方法，其特征在于，所述金属微结构单元的尺寸在μm至亚mm量级，任意设计所述金属微结构单元的形状。
7.根据权利要求2所述的高灵敏度太赫兹传感器的制备方法，其特征在于，所述金属纳米结构的尺寸为nm至亚μm量级，任意设计所述金属纳米结构。
8.根据权利要求2所述的高灵敏度太赫兹传感器的制备方法，其特征在于，所述金属微结构阵列的成分包括金或者银。
9.根据权利要求2所述的高灵敏度太赫兹传感器的制备方法，其特征在于，所述金属纳米结构的成分包括金或者银。
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