四叶草型全介质超表面折射率传感器及制备方法和应用

本发明涉及光学元件，尤其涉及一种四叶草型全介质超表面折射率传感器及制备方法和应用。

背景技术：

1、在当今科技驱动的社会发展中，精确测量和监测液体的性质和参数对于诸多领域至关重要。随着传感技术的不断发展，与光学、化学以及生物等学科进行结合，也出现了一批非常具有研究前景的交叉学科；与此同时，不同种类的折射率传感器也应运而生。其中，基于超结构的光学折射率传感器因其体积更小，捕获信息的能力更强，集成度更高，获得了更多的研究者的兴趣和技术支持。

2、fano共振(法诺共振)具有非常高的q因子(高品质因子)，即具有极窄的带宽。在fano共振条件下，光学器件的透过率对光的折射率十分敏感，因此可以通过测量透过率的变化来检测样品的折射率变化，从而实现折射率传感的功能。早期人们通过采用金属纳米材料来实现fano共振，但是金属通常具有较高的电导率和吸收率，欧姆损耗高。考虑到金属特性，可以采用介电材料在光学中进行不对称纳米结构的设计。bic(光学连续域束缚态)状态通常指的是一种光学谐振腔模式，这种状态可以被用于制造高品质因子的微腔激光器、传感器等光学器件。打破bic的对称性需要在系统中引入对称性破坏的因素，如非对称形状、外场等。这些因素会影响系统的本征模式，从而在系统中引入了能量耦合，使得原本的bic能级与连续态发生交叉，进而激发fano共振。

3、专利cn114034663a公开了一种基于全介质超表面的三fano共振微纳折射率传感器，它的超表面结构由对称性破缺的硅纳米孔阵列周期性排布而成，左边两个纳米孔的直径相同，右边两个纳米孔的直径相同且与左边的不同。如此实现fano共振，具有低损耗、高q值、高fom值、器件与cmos工艺兼容的特点。但其空气柱为纳米孔结构，而且纳米孔半径差值小，因此刻蚀难度大；当用于检测时，纳米孔内的待检测介质不便于填充和清洗；折射率响应区间也较局限。因此，有必要提供一种改进的全介质超表面折射率传感器，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种四叶草型全介质超表面折射率传感器及制备方法和应用，通过四个不规则扇形纳米柱的半径差异，构建几何不对称的超表面结构，能够实现高品质、高调制深度的fano共振，而且折射率响应区间大，制备和应用方法简单。

2、为实现上述目的，本发明提供一种四叶草型全介质超表面折射率传感器，由衬底和若干个周期排列于所述衬底上的超表面结构单元组成；

3、每个所述超表面结构单元包括两个十字交叉的空气柱和分别设置于所述空气柱的四个交叉点上的四个纳米柱；

4、所述空气柱的横截面为矩形，所述纳米柱的横截面为不规则扇形，由圆弧和所述空气柱的交叉角组成；其中三个所述纳米柱的横截面相同，另一个所述纳米柱的横截面不同。

5、进一步的，三个横截面相同的所述纳米柱的圆弧半径r1为130nm～140nm，另一个纳米柱的圆弧半径r2为120nm～140nm。

6、进一步的，将圆弧半径r2的纳米柱定义为第四纳米柱，与其相对的纳米柱定义为第三纳米柱，与其相邻的两个纳米柱分别定义为第一和第二纳米柱，则满足：所述空气柱的交叉中心点与第一和第二纳米柱的圆心的距离为130nm，所述空气柱的交叉中心点与第三和第四纳米柱的圆心的距离为115～135nm。

7、进一步的，所述空气柱的宽度为120～140nm。

8、进一步的，所述纳米柱的厚度为300nm。

9、进一步的，所述超表面结构单元在水平面的x和y方向的排列周期分别为600～900nm。

10、进一步的，所述衬底为二氧化硅衬底，所述纳米柱为硅纳米柱。

11、一种以上任一项所述的四叶草型全介质超表面折射率传感器的制备方法，包括以下步骤：

12、步骤1：在二氧化硅衬底上沉积硅膜；

13、步骤2：在所述硅膜表面旋涂抗蚀剂；

14、步骤3：采用电子束对非纳米柱部分进行扫描曝光；

15、步骤4：采用显影液溶解掉经电子束曝光的抗蚀剂；

16、步骤5：采用电感耦合等离子体对所述硅膜进行刻蚀，形成纳米柱；

17、步骤6：采用有机溶剂将剩余抗蚀剂溶解掉，得到四叶草型全介质超表面折射率传感器。

18、进一步的，所述硅膜通过低压化学气相沉积法得到；

19、和/或，所述抗蚀剂为zep520抗蚀剂；

20、所述显影液为无机弱碱性水溶液。

21、一种以上任一项所述的四叶草型全介质超表面折射率传感器的应用，所述折射率传感器用于光学传感、浓度测量、化学反应监测、生物医学应用或流体流速测量。

22、本发明的有益效果如下：

23、1、本发明提供的四叶草型全介质超表面折射率传感器，通过采用不同半径的纳米柱来打破结构的对称性，从而产生高q的fano共振峰，为几何不对称的超表面结构提供了一种很好的替代方案。

24、2、本发明半导体材料构造超表面结构单元，与金属结构的超表面相比，具备更高的fom值和q值。可以解决金属等离子元表面存在的高欧姆损耗、低品质因数等问题，为全介质超结构的发展起到了推动作用。

25、3、本发明提供的四叶草型全介质超表面折射率传感器，采用直角扇形纳米柱和矩形空气柱组成的不对称结构，便于对待测物质进行检测，且对偏振的响应较大，耦合效率高，制造成本低，体积小、易于与其他功能器件进行大规模集成。

技术特征：

1.一种四叶草型全介质超表面折射率传感器，其特征在于，由衬底和若干个周期排列于所述衬底上的超表面结构单元组成；

2.根据权利要求1所述的四叶草型全介质超表面折射率传感器，其特征在于，三个横截面相同的所述纳米柱的圆弧半径r1为130nm～140nm，另一个纳米柱的圆弧半径r2为120nm～140nm。

3.根据权利要求2所述的四叶草型全介质超表面折射率传感器，其特征在于，将圆弧半径r2的纳米柱定义为第四纳米柱，与其相对的纳米柱定义为第三纳米柱，与其相邻的两个纳米柱分别定义为第一和第二纳米柱，则满足：所述空气柱的交叉中心点与第一和第二纳米柱的圆心的距离为130nm，所述空气柱的交叉中心点与第三和第四纳米柱的圆心的距离为115～135nm。

4.根据权利要求1所述的四叶草型全介质超表面折射率传感器，其特征在于，所述空气柱的宽度为120～140nm。

5.根据权利要求1所述的四叶草型全介质超表面折射率传感器，其特征在于，所述纳米柱的厚度为300nm。

6.根据权利要求1所述的四叶草型全介质超表面折射率传感器，其特征在于，所述超表面结构单元在水平面的x和y方向的排列周期分别为600～900nm。

7.根据权利要求1-6任一项所述的四叶草型全介质超表面折射率传感器，其特征在于，所述衬底为二氧化硅衬底，所述纳米柱为硅纳米柱。

8.一种权利要求1-7任一项所述的四叶草型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：

9.根据权利要求8所述的四叶草型全介质超表面折射率传感器的制备方法，其特征在于，所述硅膜通过低压化学气相沉积法得到；

10.一种权利要求1-7任一项所述的四叶草型全介质超表面折射率传感器的应用，其特征在于，所述折射率传感器用于光学传感、浓度测量、化学反应监测、生物医学应用或流体流速测量。

技术总结
本发明涉及光学元件技术领域，具体为一种四叶草型全介质超表面折射率传感器及制备方法和应用。该折射率传感器由衬底和若干个周期排列于衬底上的超表面结构单元组成；每个超表面结构单元包括两个十字交叉的空气柱和分别设置于空气柱四个交叉点上的四个纳米柱；空气柱的横截面为矩形，纳米柱的横截面为不规则扇形，由圆弧和空气柱的交叉角组成；其中三个纳米柱的横截面相同，另一个纳米柱的横截面不同。本发明折射率传感器在垂直入射波长为1182nm至1245nm之间，可产生三个极为明显的Fano共振峰。这些峰的最大Q因子可高达10383，最大调制深度接近99％，在折射率1.33至1.37之间变化，可用于液体检测和质量控制等。

技术研发人员：牛慧娟,张奕康,白成林,范鑫烨,黄永清,段晓峰
受保护的技术使用者：聊城大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29