CN207300884U - 嵌入式纳米金阵列表面等离子共振传感器基底 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种嵌入式纳米金阵列表面等离子共振传感器基底，通过将金纳米颗粒嵌入二氧化硅衬底中，由于上下表面的介质不再对称，相当于在周期阵列上叠加了一个单层介质光栅，对入射光产生调制，一定条件下将会引起导模共振来进行微调制，从而在一定波长范围内透射谱中出现了三个共振峰线型，满足多波段，多通道的传感检测需求，但导模共振形成的透射峰不够尖锐，灵敏度及品质因数达不到要求，故通过类Fano共振中宽带模式和窄带模式的耦合导致波谱分裂，进而使得共振峰变得尖锐，提高传感检测的灵敏度和品质因数。且本实用新型采用的是周期型纳米颗粒阵列结构可减小传感器基底结构的体积，易于集成化，符合表面等离子体共振传感器的设计要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及表面等离子体光学传感领域，尤其涉及一种嵌入式纳米金阵列表面等离子共振传感器基底。
背景技术
表面等离子体共振(Surface plasmon resonance,SPR)是局域在金属表面的自由电子被光波照射，在适当的条件下发生集体振荡的一种特殊物理现象。它可以产生很强的局域电场，对周围环境介质的折射率变化非常敏感，由此产生的表面等离子体共振技术已经在高灵敏生物、化学传感器领域得到广泛的应用。
传统的SPR传感器基底主要使用棱镜、光栅或波导耦合的金属膜结构，其物理机制是传导型SPR(propagating surface plasmon resonance,PSPR)，作为一种平面均匀结构，在工作频率范围内通常是单共振峰模式，不能适用于多波段、多通道的传感检测环境且受温度影响较大导致结构体积过大无法小型化、集成化。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种嵌入式纳米金阵列表面等离子共振传感器基底，减小了传感器基底的体积易于集成化，同时能在多共振峰模式工作，在一定波长范围内能够实现多波段检测。本实用新型采用纳米粒子的局域表面等离子体共振结构，这种耦合结构使得入射光与纳米粒子相互作用更容易激发表面等离子体共振现象；同时，提高了传感结构的调谐性能，具有高灵敏度、高品质因子、易集成的优点。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
一种嵌入式纳米金阵列表面等离子共振传感器基底，包括：
二氧化硅介质基底(2)以及嵌入二氧化硅介质基底(2)的周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)；
在可见光范围内，入射光从周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)上方垂直入射，偏正方向沿x轴方向，通过调节二氧化硅介质基底(2)的厚度与嵌入深度，周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)的菱形粒子的大小与周期型阵列周期，得到传感器基底结构的最佳参数。
周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)的嵌入深度为d＝100nm。
二氧化硅介质基底(2)的厚度为h＝400nm，介电常数为1.45。
周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)的高度为Lz＝30nm，周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)的长轴和短轴分别为Lx＝100nm和Ly＝40nm，金的介电常数采用Drude模型。
周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)沿x方向的周期和y方向的周期分别为Px＝200nm和Py＝570nm。
传感器基底结构上下边界条件取完全匹配层，在x和y方向取周期性边界条件。
由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，通过将金纳米颗粒嵌入二氧化硅衬底中，由于上下表面的介质不再对称，相当于在周期阵列上叠加了一个单层介质光栅，对入射光产生调制，一定条件下将会引起导模共振来进行微调制，从而在一定波长范围内透射谱中出现了三个共振峰线型，满足多波段，多通道的传感检测需求，但是导模共振形成的透射峰不够尖锐，灵敏度及品质因数达不到要求，故通过类Fano共振中宽带模式和窄带模式的耦合导致波谱分裂，进而使得共振峰变得尖锐，提高传感检测的灵敏度和品质因数。且本实用新型采用的是周期型纳米颗粒阵列结构可以减小传感器基底结构的体积，易于集成化，符合表面等离子体共振传感器的设计要求。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本实用新型实施例提供的一种嵌入式纳米金阵列表面等离子共振传感器基底的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的透射谱随金纳米粒子长短轴之比的变化曲线；
图3为本实用新型实施例提供的透射谱随阵列周期的变化曲线；
图4为本实用新型实施例提供的电厂分布示意图；
图5为本实用新型实施例提供的透射谱随衬底折射率的变化曲线；
图6为本实用新型实施例提供的衬底折射率的变化对应的共振波长线性曲线。
具体实施方式
下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
图1为本实用新型实施例提供的一种嵌入式纳米金阵列表面等离子共振传感器基底的结构示意图。如图1所述，其主要包括：二氧化硅介质基底(2)以及嵌入二氧化硅介质基底(2)的周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)；
在可见光范围内，入射光(平面波源)从周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)上方垂直入射，偏正方向沿x轴方向，通过调节二氧化硅介质基底(2)的厚度与嵌入深度，周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)的菱形粒子的大小与周期型阵列周期，得到传感器基底结构的最佳参数。
优选的，周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)的嵌入深度为d＝100nm。
优选的，二氧化硅介质基底(2)的厚度为h＝400nm，介电常数为1.45。
优选的，周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)的高度为Lz＝30nm，周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)的长轴和短轴分别为Lx＝100nm和Ly＝40nm，金的介电常数采用Drude模型。
优选的，周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)沿x方向的周期和y方向的周期分别为Px＝200nm和Py＝570nm。
优选的，传感器基底结构上下边界条件取完全匹配层，在x和y方向取周期性边界条件。
为了说明上述结构的效果，下面还进行了仿真。
分析菱形金纳米颗粒的长短轴比例对透射谱的影响，通过改变长短轴比例使纳米颗粒的LSPR与阵列散射表面波的耦合作用达到最大化，取短轴长度Ly＝40nm，改变长轴长度，使得长短轴之比分别为4:1、3.5:1、3:1、2.5:1和2:1，计算得到透射谱如图2所示。可以看出嵌入式菱形纳米金阵列的透射谱上存在三个透射谷，与类Fano共振中常见的波谱分裂形成双透射谷的线型有着明显的差异。这是由于将金纳米颗粒嵌入衬底介质材料中，上下表面的介质不再对称，相当于在周期阵列上叠加了一个单层介质光栅，对入射光产生调制，一定条件下将会引起导模共振。随着金纳米颗粒长轴变短，透射谷向低频移动，但共振深度基本不变，半峰宽度减小，使得透射谷曲线更加陡峭。耦合共振程度最大的长短轴比例为2.5:1。
分析阵列周期对透射谱的影响，调整阵列结构的周期，初始值设定为Px＝200nm，Py＝650nm，使Py以20nm为间距，逐渐减小到550nm，保持菱形金纳米颗粒的尺寸不变，长短轴比例为2.5:1，计算得到透射谱如图3所示。可以看出透射谱对周期的变化非常敏感，随着Py的减小，透射谷向低频移动，并且随着周期减小，在600nm波长附近，耦合共振强度迅速增大，透射谱曲线从两个尖锐峰变为三个尖锐峰线型。计算该结构在Py＝650nm，共振波长为620nm，以及周期减小为Py＝570nm，共振波长为577nm处的电场分布，如图4所示。可以看出在阵列周期Py减小后，金纳米颗粒的局域光场能量密度迅速增大，这表明在577nm波长处，随着周期减小，透射波能量被有效耦合到金纳米颗粒的LSPR中，从而在透射谱中出现一个尖锐的透射谷。
利用嵌入式菱形纳米金阵列作为SPR传感器的基底，分析其随衬底折射率变化的传感特性。金纳米颗粒的长短轴之比仍然保持为2.5:1，Py＝570nm，Px＝200nm，嵌入介质深度d＝100nm，衬底折射率n＝1.45。从前述计算可知，该结构的透射谱上存在三个尖锐的透射谷，中心波长从右到左分别为λ1＝805nm、λ2＝676nm和λ3＝577nm。当衬底折射率n改变时，嵌入式阵列结构的透射谱，以及衬底折射率变化所对应的共振波长曲线如图5和6所示。衬底折射率n从1.39逐次增大到1.47，λ1、λ2、λ3分别向高频方向移动了42.0nm、34.3nm和21.0nm，对应的折射率灵敏度分别为525.0nm/RIU、428.8nm/RIU和262.5nm/RIU。平均半峰宽度分别为15.7nm、13.3nm和4.1nm，品质因数分别为33.4、32.2和64.0。从图6中还可以看出，三个透射谷所对应的共振波长与衬底折射率之间存在良好的线性关系。这表明该结构具有优良的传感检测性能，三个波段均满足常规SPR传感器的性能指标要求。
上述仿真过程是基于时域有限差分算法(FDTD)实现，FDTD离散网格的确定：1、目标离散精度的要求，一般来说，网格需要足够小才能够比较精确的逼近计算目标结构的几何形状，拟合目标结构的电磁参数。2、FDTD方法本身的要求，这里主要考虑色散误差对网格尺寸的影响，剖分网格为立方体，即Δx＝Δy＝Δz＝δ，而计算频段的上线频率为fmax,对应波长是λmin，考虑到FDTD方法的数值色散条件要求，需要满足：
通常情况下，N≥10。
本实用新型上述方案，通过将金纳米颗粒嵌入二氧化硅衬底中，由于上下表面的介质不再对称，相当于在周期阵列上叠加了一个单层介质光栅，对入射光产生调制，一定条件下将会引起导模共振来进行微调制，从而在一定波长范围内透射谱中出现了三个共振峰线型，满足多波段，多通道的传感检测需求，但是导模共振形成的透射峰不够尖锐，灵敏度及品质因数达不到要求，故通过类Fano共振中宽带模式和窄带模式的耦合导致波谱分裂，进而使得共振峰变得尖锐，提高传感检测的灵敏度和品质因数。且本实用新型采用的是周期型纳米颗粒阵列结构可以减小传感器基底结构的体积，易于集成化，符合表面等离子体共振传感器的设计要求。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种嵌入式纳米金阵列表面等离子共振传感器基底，其特征在于，包括：
二氧化硅介质基底(2)以及嵌入二氧化硅介质基底(2)的周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)；
在可见光范围内，入射光从周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)上方垂直入射，偏正方向沿x轴方向；
周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)的嵌入深度为d＝100nm；
二氧化硅介质基底(2)的厚度为h＝400nm，介电常数为1.45；
周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)的高度为Lz＝30nm，周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)的长轴和短轴分别为Lx＝100nm和Ly＝40nm，金的介电常数采用Drude模型；
周期型菱形金纳米颗粒阵列(1)沿x方向的周期和y方向的周期分别为Px＝200nm和Py＝570nm。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入式纳米金阵列表面等离子共振传感器基底，其特征在于，传感器基底结构上下边界条件取完全匹配层，在x和y方向取周期性边界条件。
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