专利名称：周期阵列的局域等离子体共振传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及纳米光子学传感技术领域，尤其涉及局域等离子体共振相关的金属光子晶体结构折射率传感器件，其是一种周期阵列的局域等离子体共振传感器。
背景技术：
表面等离子体是发生在金属/介质界面上的耦合共振形式，电子群在这层界面上集体的来回运动。这种波被俘获在界面附近，与金属表面上电子的等离子体相互作用。金属表面的电子电荷和电磁波之间的共振相互作用产生了表面等离子体并导致其具有十分独特的性质。局域表面等离子体共振:对于金属纳米颗粒，表面等离子体波将被局域在金属纳米颗粒的边界附近，形成局域化的表面等离子体振荡(localized surface plasmonresonance)。空间局域化的表面等离子体共振,其共振特性和激发光场特性,金属颗粒尺寸、形貌、组分、排布都有密切相关性，也和所处周围介质条件相关。利用金属纳米颗粒产生的局域等离子体共振，可以实现有效折射率传感。采用周期性金属纳米结构单元排布，组成金属纳米光子晶体结构，可以通过调节几何特征尺寸、周期等特征参数实现有效光学响应特征调制，以利用其获得高性能传感器件。本发明中则采用金属正方阵列开口环周期结构，通过设计优化参数，获得优化结果，以实现用于检测折射率变化的高灵敏度有效折射率传感器件。局域等离子体对介质环境折射率的敏感性，是等离子体共振传感器件设计的基础。局域等离子体共振由于其特征共振线宽较宽，在作为传感元件时，阻碍限制了器件的品质因素的提升，因此，减小特征检测位置共振线宽，提高品质因子对器件工作性能的提升具
有重要意义。伍德异常发生在入射波长或入射角的某些临界点上，常被称为Rayleigh anomaly波长或Rayleigh入射角。在这些条件下,某些衍射波所对应的衍射角为90度发生掠射，它们处于存在和消失(传播波和倐逝波)的临界状态，不妨称之为瑞利边界波。由于传播波携带能量，而倐逝波不携带能量，在经过临界点时，所有传播波都要调节各自所携带的能量，以保持能量守恒。此时，衍射效率光谱范围曲线表现为在Rayleigh边界波长处发生导数跃变，常出现局部的、很窄的峰或谷。在一定条件下，我们可以利用瑞利边界波长处很窄的峰或谷作为有效探测的工作波长，同样可以获得较高的品质因子。金属元件由于电磁场激发，而形成的类似共振线圈的诱导共振。在金属内部可以近似认为电子电荷的排布运动如导体中产生的电流。因而会产生诱生电磁场共振。与基于光子晶体结构的局域等离子体传感器比较，基于开口环共振的传感器件具有较高的探测灵敏度，而同时也显示了较宽的共振线宽。本发明利用两者结合，设计了一种基于开口环单元的光子晶体结构局域等离子体共振传感器，对探测灵敏度(S= Δ λ/Δη)和探测品质因子(FOM = S/FWHM(半高全宽))都有了很好的改善，使得器件性能明显提高。由于在实施方案时,具体光学信号输入端，由光纤导引，为了方便测试，可以改变入射角度，实现大角度有效探测。然而，实际应用中，目前的主要基于局域等离子体共振传感的元器件大多只是限定在正入射或是有限入射角度的条件下，检测自由度受到不同程度的限制。一般局域等离子体传感器件由于其周期排布性质及对称性单元特征，不会有较大的偏振选择性，可以作为有效无偏或偏振弱相关传感器。但是，在有一定结构特征的单元上，由于特定的结构选择使得器件的光谱响应对不同偏振激发有不同的响应，不利于高效、便捷、快速的检测。大多数基于开口环共振的传感元件便受到了这样的约束而只能工作在限定工作条件下。除了做光谱分析测试以外，也可以使用单色光波作为信号检测光源，而使用强度变化响应做相应检测分析。此时，如何提高信号的深宽比，以利于提高信噪比，提高检测信号辨识度、对提高检测性能很重要。由于本发明所涉及的器件，设计结果，计算预测表明，其透射光谱相应共振位置的强度深宽比大，信号调制深度高，作为单波长检测手段下，检测信号强度变化时，其有效品质因子(F0M*= ΔΙ/Δη/Ι)也将会显示出高的品质因素。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种周期阵列的局域等离子体共振传感器，具有传感高灵敏度，窄共振线宽，高信号调制深度，大范围探测角度容忍度的优点。本发明提供一种周期阵列的局域等离子体共振传感器，包括:一衬底；多个传感器单元，其排布在衬底的表面，组成周期阵列结构。本发明具有高的信号调制深度，可用于光谱分辨测试，也可用于单波长强度测试。具有大角度探测，偏振弱相关，宽检测范围等特点，可以作为高灵敏度，高品质传感器件以实现高效，高性能，便捷、高适应性折射率检测。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中:图1为本发明的结构示意图；图2为图1中传感器单元的结构示意图；图3为本发明的等离子体共振传感器对不同环境折射率变化的透射光谱响应图。图4和图5为本发明等离子体共振传感器在不同响应频率处用时域有限差分(FDTD)方法模拟计算的共振模式状态电场Ez分布图。图4为共振模式I电场Ez分布图，图5为共振模式2电场Ez分布图。图6为本发明提供的等离子体共振传感器在不同环境折射率时透射光谱谷值所处共振波长位置，可以看见其为近线性关系。图7为本发明提供的等离子体共振传感器在不同开口间距大小时，传感性能参数的变化，包括灵敏度、品质因素。图8为本发明提供的等离子体共振传感器对不同入射光场偏振角度的透射光谱的响应谱。只有信号强度受到偏振角度的影响，仍然可以做有效透射光谱测试，用于折射率传感。本发明提供的局域等离子体共振传感器显示了偏振弱相关性。图9为本发明提供的等离子体共振传感器在不同入射光角度情况下环境折射率为空气时透射光谱的变化图。图10为本发明提供的局域等离子体共振传感器在入射光角度为30度情况下，偏振方向沿X方向，即零度偏振角时，对不同环境折射率变化而产生的相应的透射光光谱响应。图11为本发明提供的局域等离子体共振传感器在入射光角度为30度情况下，偏振角为45度时，对不同环境折射率变化而产生的相应的透射光光谱响应。
具体实施例方式请参阅图1及图2所示，本发明提供一种周期阵列的局域等离子体共振传感器，包括:一衬底10，所述衬底10的材料为透明介质或半导体材料，其折射率为η =1.3-1.6 ；多个传感器单兀20,其排布在衬底10的表面,组成周期阵列结构,其中每一传感器单元20为纳米级开口环单元，该纳米级开口环单元为非对称三段开口结构，在开口环单元的一侧为第一开口 21，上部为第二开口 22，另一侧为第三开口 23，所述每一传感器单元20为纳米级开口环单元，该开口环单元为正方形结构，所述各开口位于该开口一侧的中心位置，所述第一开口 21、第二开口 22和第三开口 23的端部为平面、圆面或椭圆面的对称结构或非对称结构，所述第一开口 21、第二开口 22和第三开口 23间隙为纳米级，每一传感器单元20的材料是金或银，图1为一衬底10和四个传感器单元20构成的正方周期阵列的结构图。本发明的周期阵列的局域等离子体共振传感器的工作波长在可见光及近红外波段,波段范围为500nm-1800nm。应用本发明的周期阵列的局域等离子体共振传感器进行的检测系统，是将本发明设计的等离子体传感元件，包括排布在衬底10的表面，多个纳米级开口环传感器单元20组成的周期阵列结构，置于待检测样品环境中，如测试液体，或者将检测溶液滴于检测元件上，准备检测。具体实施时，可以采用光纤作为输入输出端测试用信号输入与信号收集信道。利用宽光谱光源作为检测光源，通过一定选偏，强度调节，将光源输出端对准样品，照射载有待测试液，或者浸在待测试液中的周期阵列的局域等离子体共振传感器。下一步检测收集通过样品和传感器的透射光谱信号。通过光谱仪分析检测由输出端光纤收集的透射光谱响应信号。从分析光谱特性随样品折射率变化的响应谱中便可以得到样品折射率相对变化值(参阅图3为本发明的等离子体共振传感器对不同环境折射率变化的透射光谱响应图)。本发明是利用开口环传感器单元20的共振模式I (参阅图4)，瑞利边界波长处很窄的谷作为有效探测的工作波长，可以获得较高的品质因子。利用开口环传感器单元20的共振模式2 (参阅图5)，此共振模式由于电磁场激发，而形成的类似共振线圈的诱导共振，具有强场局域特性，弱偏振相关性(参阅图8)，弱角度选择性(参阅图9)，使得本发明的周期阵列的局域等离子体共振传感器具有大角度探测，偏振弱相关，宽检测范围等特点。对检测光源的入射光角度，偏振角度的要求大大降低，减小光源对准操作难度，提高了检测适应性，操作灵活性，同时不失高效性。因而可以同时实现高灵敏度，高品质因素，便捷、高适应性折射率检测。局域等离子体对介质环境折射率的敏感性，是等离子体共振传感器件设计的基础。本发明提供的局域等离子体共振传感器，包括的多个传感器单元20，其排布在衬底10的表面，组成周期阵列结构，其中每一传感器单元20为纳米级开口环单元，基于开口环传感器单元20的传感器件具有较高的探测灵敏度。周期阵列结构开口环传感器单元20和衬底10组成的传感器系统对不同环境折射率变化的透射光谱响应比较敏感(参阅图3)。在不同响应频率处用时域有限差分方法模拟计算的共振模式状态电场Ez分布图4为共振模式I电场Ez分布图，图5为共振模式2电场Ez分布图。可以明显看出，由于在开口环传感器单元20的第一开口 21，第二开口 22，第三开口 23处分别形成了强的电磁场局域和不同特征分布，所以在两个共振模式I和2工作的系统会产生不同的传感性能(参阅图6)。开口环传感器单元20由于电磁场激发，而形成的类似共振线圈的诱导共振。在金属内部可以近似认为电子电荷的排布运动如导体中产生的电流。因而会产生诱生电磁场共振。与基于光子晶体结构的局域等离子体传感器比较，基于开口环共振的传感器件具有较高的探测灵敏度，而同时也显示了较宽的共振线宽。第一开口 21、第二开口 22、第三开口 23则有效起到纳米腔共振系统作用。在不同开口间距大小时，传感器传感性能参数相应变化，包括灵敏度、品质因素(参阅图7)。由于模式2共振(参阅图5)在三段开口的第一开口 21、第二开口 22、第三开口 23处分别形成对应电场局域分布，此共振模式具有强场局域特性，弱偏振相关性(参阅图8)，弱角度选择性(参阅图9，模式2共振具有弱角度相关性，共振模式2位置不因入射光角度的改变而改变)。由于模式I共振在三段开口的第一开口 21、第二开口 22、第三开口 23处分别形成对应电场局域分布(参阅图4)，此共振模式具有场局域特性，弱偏振相关性(参阅图8)，弱角度选择性(参阅图9，模式I共振具有弱角度相关性，同时受到伍德异常的影响而在小角度探测时具有窄的共振线宽)。基于光子晶体结构的局域等离子体传感器对探测介质折射率变化的敏感性，结合开口环传感器单元20的三段开口的第一开口 21、第二开口 22、第三开口 23结构设计，有效利用模式1、2共振特点，本发明提供的局域等离子体共振传感器在入射光角度为30度情况下，偏振角为45度时，对不同环境折射率变化而产生的相应的透射光光谱响应(参阅图10、图11)。本发明提供的局域等离子体共振传感器具有大角度探测，偏振弱相关，宽检测范围等特点，可以作为闻灵敏度，闻品质传感器件以实现闻效，闻性能，便捷、闻适应性折射率检测。通过光谱仪分析检测由输出端光纤收集的透射光谱响应信号(参阅图3、图10、图11)。从分析光谱特性随样品折射率变化的响应谱中便可以得到样品折射率相对变化值。同样通过测试，标定系统，定标参数，便可以通过比照标准值而找到所测试样品折射率的信息及相关光谱特性的结果。以上所述，仅为本发明的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人，在本发明所揭露的技术范围内，采用的可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种周期阵列的局域等离子体共振传感器，包括: 一衬底； 多个传感器单元，其排布在衬底的表面，组成周期阵列结构。
2.根据权利要求1所述的周期阵列的局域等离子体共振传感器，其中每一传感器单元为纳米级开口环单元，该纳米级开口环单元为非对称三段开口结构，在开口环单元的一侧为第一开口，上部为第二开口，另一侧为第三开口。
3.根据权利要求2所述的周期阵列的局域等离子体共振传感器，其中该开口环单元为正方形结构，所述各开口位于该开口一侧的中心位置。
4.根据权利要求3所述的周期阵列的局域等离子体共振传感器，其中所述第一开口、第二开口和第三开口的端部为平面、圆面或椭圆面的对称结构或非对称结构。
5.根据权利要求4所述的周期阵列的局域等离子体共振传感器，其中所述第一开口、第二开口和第三开口的开口间隙为纳米级。
6.根据权利要求1所述的周期阵列的局域等离子体共振传感器，其中每一传感器单元的材料是金或银。
7.根据权利要求1所述的周期阵列的局域等离子体共振传感器，其中所述衬底的材料为透明介质或半导体材料，其折射率为η = 1.3-1.6。
8.根据权利要求1所述的周期阵列的局域等离子体共振传感器，其中该周期阵列的局域等离子体共振传感器的工作波长在可见光及近红外波段，波段范围为500nm-1800nm。
全文摘要
一种周期阵列的局域等离子体共振传感器，包括一衬底；多个传感器单元，其排布在衬底的表面，组成周期阵列结构。本发明，具有传感高灵敏度，窄共振线宽，高信号调制深度，大范围探测角度容忍度的优点。
文档编号G01N21/41GK103163104SQ201310082710
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月15日 优先权日2013年3月15日
发明者宋国峰, 刘杰涛, 许斌宗, 胡海峰, 王立娜 申请人:中国科学院半导体研究所