基于周期纳米颗粒阵列的表面等离子体共振传感器基底的制作方法

本实用新型涉及表面等离子体共振传感器领域，尤其涉及一种基于周期纳米颗粒阵列的表面等离子体共振传感器基底。

背景技术：

表面等离子体共振(Surface plasmon resonance，SPR)是入射光场在适当的条件下，在金属与介质界面处引发金属表面自由电子集体振荡的一种物理光学现象。由于SPR技术具有灵敏度高、分析样品不需要纯化、实时快速检测等优点，因此SPR传感技术在生物传感器、生命科学、环境污染等领域有着广泛的应用前景。

典型的表面等离子体共振结构主要有棱镜耦合结构和光栅耦合结构，但是这两种耦合传感结构主要有集成性较差、成本高、调谐性差等缺点，波长检测局限在很小范围内,无法实现多波长检测，在传感器应用方面有较大的局限性。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于周期纳米颗粒阵列的表面等离子体共振传感器基底，通过调控基底结构参数，与金属银阵列相比，介质硅阵列的共振耦合效应更强，近场增强更明显，对应的反射谱共振谷曲线也更加尖锐。相同环境下的传感性能指标计算表明，介质硅阵列基底具有更好的灵敏度和品质因子参数，因此基于散射共振的介质阵列加载基底结构是提高表面等离子共振传感灵敏度的一种有效方法。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于周期纳米颗粒阵列的表面等离子体共振传感器基底，包括：周期的正方体硅颗粒(1)、二氧化硅介质基板(2)与金属银介质基板(3)；其中：

所述金属银介质基板(3)上表面设有周期的正方体硅颗粒(1)，周期的正方体硅颗粒(1)与金属银介质基板(3)之间用二氧化硅介质基板(2)隔开；在可见光范围内，入射光从周期的正方体硅颗粒(1)上方垂直入射，通过控制二氧化硅介质基板(2)的厚度实现周期的正方体硅颗粒(1)与金属银介质基板(3)电场的耦合产生多种模式。

周期的正方体硅颗粒(1)为阵列形式，阵列周期大于三倍的硅颗粒大小。

二氧化硅介质基板(2)的厚度为150nm，介电常数为1.46。

金属银介质基板(3)的厚度为100nm，金属银使用Drude模型。

表面等离子体共振传感器结构边界条件取完全匹配层PML，在x和y方向去周期性边界条件。

由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，与现有传感技术相比减小了传感器耦合机制的体积，同时获得较大传感器灵敏度、品质因素，在一定波长范围内能够实现不同波段内的检测。本实用新型采用介质纳米粒子的Mie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类似于金属纳米粒子表面等离子体共振的现象，并利用这种共振散射效应设计了一种新颖的介质加载SPR传感器基底。

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基于周期纳米颗粒阵列的表面等离子体共振传感器基底结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的传感结构反射率曲线随阵列周期的变化曲线；

图3为本实用新型实施例提供的硅和银纳米粒子阵列传感结构的反射曲线；

图4为本实用新型实施例提供的传感结构Ag和Si在波长e处的电场分布图；

图5为本实用新型实施例提供的传感结构反射率曲线随基板折射率的变化曲线；

图6为本实用新型实施例提供的传感结构波长e处随灵敏度变化曲线。

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基于周期纳米颗粒阵列的表面等离子体共振传感器基底结构示意图。如图1所示，其主要包括：周期的正方体硅颗粒(1)、二氧化硅介质基板(2)与金属银介质基板(3)；其中：

所述金属银介质基板(3)上表面设有周期的正方体硅颗粒(1)，周期的正方体硅颗粒(1)与金属银介质基板(3)之间用二氧化硅介质基板(2)隔开；在可见光范围内，入射光从周期的正方体硅颗粒(1)上方垂直入射，通过控制二氧化硅介质基板(2)的厚度实现周期的正方体硅颗粒(1)与金属银介质基板(3)电场的耦合产生多种模式。

优选的，周期的正方体硅颗粒(1)为阵列形式，阵列周期大于三倍的硅颗粒大小。

优选的，二氧化硅介质基板(2)的厚度为150nm，介电常数为1.46。

优选的，金属银介质基板(3)的厚度为100nm，金属银使用Drude模型。

优选的，表面等离子体共振传感器结构边界条件取完全匹配层PML，在x和y方向去周期性边界条件。

在可见光范围内，用介质硅材料来代替金属材料以降低金属表面的焦耳热损耗，提高传感结构的品质因素和灵敏度。同时，提出在衬底表面放置介质硅纳米粒子阵列的组合传感结构，利用介质纳米粒子阵列的Mie共振机理，可以降低衬底表面的吸收损耗，使得传感结构的灵敏度大大提高。

传感结构表面包括正方体硅颗粒边长x、二氧化硅介质基板厚度h、阵列周期T三个基本结构参数，通过对该传感结构建立最优化的结构参数达到最高的反射率。

为了说明上述结构的效果，下面还进行了仿真分析。

分析阵列周期对本传感结构的影响，表面反射曲线如图2所示，阵列周期T分别为380nm，390nm，400nm，410nm，420nm，随着周期增大，共振波长(e)处逐渐向低频移动，说明传感结构有很好的可调谐性能，在周期为390nm时共振深度最大,所以取传感结构的周期T为390nm。

如图3所示，分别测出银(Ag)纳米粒子阵列传感结构和硅(Si)纳米粒子阵列传感结构的反射曲线，保持其他条件不变。根据波长调制型SPR传感器的检测灵敏度S定义为共振波长的变化量与被测介质折射率改变量之间的比值：

其中，λ为共振波长(nm)，n为被测介质折射率。

分析基板折射率从1.44到1.46时，测得银纳米粒子阵列传感结构在波长e处的灵敏度为312.5nm/RIU；测得纳米硅粒子阵列传感结构在波长e处的灵敏度分别为和352.4nm/RIU，在纳米银阵列结构和纳米硅阵列反射光谱在波长e处的电场分布图如图4所示，波长e处曲线突然下降是由于金属/介质表面局域表面等离激元模式以及阵列粒子与二氧化硅薄膜交界面Mie共振机理所引起，可以看出e处的共振波长与基板的属性相关，可以调整基板折射率来影响传感结构的属性。同时根据公式FOM＝S/FWHM算出纳米硅粒子阵列传感结构在两个波长处的品质因素(FOM)分别为44.6和70.5，其中FWHM为半峰宽度，满足SPR传感器的设计要求。

同理，通过上面对传感结构的结构参数分析，这里取正方体硅颗粒边长x为110nm，二氧化硅介质基板厚度为150nm，阵列周期为390nm，取二氧化硅介质基板的折射率n分别为1.38，1.40，1.42，1.44，1.46，反射率曲线如图5所示。

分析图3中表示的e点处波长随基板折射率的变化如图6所示，改变传感结构的基板折射率n值，对应波长分别583nm，591nm，597nm，605nm，612nm，得基板折射率与波长有良好的线性关系，有很好的传感特性，随着基底折射率增大，共振波长e处向低频移动，半峰宽度几乎不变而共振深度在增大，随着折射率的变化根据上述公式可以测出灵敏度约为352.4nm/RIU，传感品质因素在70.5左右，满足折射率传感器的设计要求。说明传感结构对基底折射率的变化很敏感，在折射率传感器方面有很好的应用前景。

本实用新型实施例上述方案，与现有传感技术相比减小了传感器耦合机制的体积，同时获得较大传感器灵敏度、品质因素，在一定波长范围内能够实现不同波段内的检测。通过调控基底结构参数，与金属银阵列相比，介质硅阵列的共振耦合效应更强，近场增强更明显，对应的反射谱共振谷曲线也更加尖锐。相同环境下的传感性能指标计算表明，介质硅阵列基底具有更好的灵敏度和品质因子参数，因此基于散射共振的介质阵列加载基底结构是提高表面等离子共振传感灵敏度的一种有效方法。

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。