一种基于四矩形硅柱结构的全介质超表面折射率传感器

1.本发明涉及光学折射率传感领域，特别涉及一种基于四矩形硅柱结构的全介质超表面折射率传感器。


背景技术：

2.光学折射率传感器被广泛用于物理化学、生物医药、食品加工等方面的折射率测量，受到了研究者们的广泛关注。通常情况下，折射率传感器的灵敏度定义为单位折射率的共振波长变化，即：s＝δλ/δn,品质因数则是灵敏度与半高全宽的比值(fom＝s/fwhm)。当下人们对于折射率传感器的研究主要集中在金属基础的等离子体结构和介质基础的结构中,然而，由于金属结构中自由电子震荡导致了很强的辐射损耗，金属结构的品质因子通常较低，这限制了金属基础的等离子体结构器件在纳光子学中的应用。同时一些介质基础的结构，比如光纤光栅结构，光子晶体腔和回音壁模式谐振器等等。这些结构损耗较小，品质因数相对较高，但灵敏度相对较低且它们中的一部分体积较大，不符合器件进一步小型化和集成的要求。
3.最近，基于高折射率材料(硅、锗)的全介质超表面折射率传感器受到了研究者的广泛关注。超表面是一种由周期排列的超原子构成的二维超材料结构。相比于其他的结构，高折射率材料的全介质超表面共振腔结构具有以下重要特性：1.损耗较小，能够实现超高的品质因子和极大的局域场增强。2.光场主要束缚在器件内部，有利于增强材料内部光与物质的相互作用。3.与cmos工艺兼容，制造成本低，有望实现大规模集成化生产。同时，fano共振作为一种尖锐的非对称谱线，被证实可以在高折射率的全介质超表面中实现。fano共振在全介质超表面中形成的极窄的线宽，接近100％的调制深度，极大的局域场增强可以进一步的提高折射率传感器的性能。
4.综上所述，基于当前光学折射率研究的不足以及高折射率材料全介质超表面的优势，发明人提出一种基于四矩形硅柱结构的全介质超表面折射率传感器。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种基于四矩形硅柱结构的全介质超表面折射率传感器，该发明由介质基底和硅超表面微结构单元阵列组成，具有较高灵敏度和品质因数，满足实际应用中的测量需要，具体描述如下：
6.一种基于四矩形硅柱结构的全介质超表面折射率传感器，所述光学折射率传感器自下而上由介质基底和硅超表面微结构单元阵列组成，其中硅介质超表面结构单元阵列由若干个微结构单元组成：每个硅介质超表面微单元由四个完全相同的矩形硅柱构成且矩形硅柱中心对称分布。
7.具体实现时，基底材料选用二氧化硅，硅介质超表面结构材料保持不变。
8.特别地，硅介质超表面的厚度为250nm～360nm。
9.进一步地，矩形硅柱的横截面为正方形，边长为220纳米。
10.具体实现时，所述全介质超表面光学折射率传感器结构工作在红外波段中的任一波段。
11.本发明提出的技术方案的有益效果是：
12.1、本发明提出的全介质超表面光学折射率传感器具有较高灵敏度和品质因数，满足实际应用中的测量需要；
13.2、本发明阐述的折射率传感器可应用到气体、液体及生物传感等相关领域，能为行业实验测量带来极大的便利。
14.3、本发明与cmos技术兼容，制造成本低，有望实现大规模集成化生产。
附图说明
15.图1为本发明一种基于四矩形硅柱结构的全介质超表面折射率传感器结构示意图，包括整体结构俯视图和结构单元俯视图及侧视图。
16.图2为实施实例所述光学折射率传感器在不同待测介质折射率下的响应特性。
17.图3为实施实例中不同折射率待测介质对应的检测峰值或谷值变化图线。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细阐释：本实施实例以本发明提出的一种基于四矩形硅柱结构的全介质超表面折射率传感器为前提，本发明保护范围包括但不仅限于该实例。
19.如图1所示，是列举的一种基于四矩形硅柱结构的全介质超表面折射率传感器实例，其包括超表面结构和透明的二氧化硅结构衬底。由四个矩形硅纳米柱组成的结构单元排列于透明衬底上，材质为单晶硅，其中xy方向的周期均为660nm，硅介质方形柱的厚度t为300nm，该硅介质柱的截面为正方形，边长为a＝220nm，四个硅介质方形柱中心对称放置，每个方形柱之间的间隔均为55nm。该实例的工作波长在1000nm
–
1300nm之间。
20.该实例传感器所使用的二氧化硅衬底折射率为1.5，整个制作过程包括如下几个步骤：1.在清洁的二氧化硅衬底上沉积厚度为300nm的晶态硅。2.在沉积的硅表面上均匀涂上适当厚度的电子束光刻胶，用电子束曝光工艺制出相应的周期性图案。3.接下来进行显影，定影。4.针对暴露出来的硅部分进行反应离子刻蚀。5.氧离子去除剩余电子束光刻胶，得到需要的超表面光折射率传感器结构。
21.图2展示了该传感器实例在不同折射率环境下的透射谱图，对应检测物质的折射率分别为1，1.01，1.02，1.03，1.04.当超表面结构中填充待检测材料变化时，该结构的有效折射率也会发生变化，从而导致共振峰的位置发生相应的改变，因此可以通过共振波长的变化得到折射率的变化，完成待测物质折射率的传感检测。图2中的两个共振分别叫做mode1，mode2，图中的红移现象验证了这一原理。
22.传感器件的灵敏度为s＝δλ/δn，其中δλ为fano共振波长的变化，δn为介质折射率的变化。图3展示了折射率传感器共振波长与不同折射率介质的关系，λ为共振模式的共振波长，n为待测介质折射率。计算得到的该折射率传感器对应的三个共振模式灵敏度分别为s(mode1)＝245nm/riu,s(mode2)＝320nm/riu。计算得到的fom值分别为：fom(mode1)＝27.2,fom(mode2)＝8.
23.本发明是一种高性能的全介质传感器件，可以实现对不同折射率的气体、液体等待测物质的检测，可以在化学、医疗、集成光学等领域发挥重要作用。


技术特征：
1.一种基于四矩形硅柱结构的全介质超表面折射率传感器，其特征在于，所述光学折射率传感器主要由介质基底和硅超表面微结构单元阵列组成，其中硅介质超表面结构单元阵列由若干个微结构单元组成：每个硅介质超表面微单元由四个完全相同的矩形硅柱构成且矩形硅柱中心对称分布。2.根据权利要求1所述的一种基于四矩形硅柱结构的全介质超表面折射率传感器，其特征在于，所述介质基底材料为二氧化硅，硅介质超表面结构材料不变。3.根据权利要求1所述的一种基于四矩形硅柱结构的全介质超表面折射率传感器，其特征在于，硅介质超表面结构厚度为250nm～360nm之间。4.根据权利要求1
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3所述的一种基于四矩形硅柱结构的全介质超表面折射率传感器，其特征在于，所述全介质超表面光学折射率传感器结构工作在红外波段中的任一波段。

技术总结
本发明公开了一种基于四矩形硅柱结构的全介质超表面折射率传感器，所述光学折射率传感器主要由介质基底和硅超表面微结构单元阵列组成，其中硅超表面微结构单元阵列由若干个微结构单元组成：每个微结构单元由四个完全相同的矩形硅柱构成且矩形硅柱中心对称分布。本发明无金属结构，无欧姆损耗，可用于不同折射率的气体液体的检测，具有较高的灵敏度和品质因数。此外，本发明基于硅材料，具有CMOS兼容性，有望实现大规模集成生产。有望实现大规模集成生产。有望实现大规模集成生产。


技术研发人员：高子昂 余世林 赵同刚
受保护的技术使用者：北京邮电大学
技术研发日：2021.06.01
技术公布日：2021/9/9