[發(fā)明專利]非對稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410056974.1
• 申請日: 2014-02-19
• 公開（公告）號(hào): CN103808691A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋國峰;張祖銀;胡海峰;王麗娜;馬勛鵬;李康文
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號(hào): G01N21/41
• 分類號(hào): G01N21/41
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 曹玲柱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集成光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非對稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器。

背景技術(shù)

近年來，與表面等離激元(surface?plasmon)有關(guān)的研究取得了眾多進(jìn)展，而且它迅速和其它的領(lǐng)域交叉滲透。隨著生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)的迅猛發(fā)展，生物傳感在分子檢測，疾病診斷，食品安全以及環(huán)境檢測等方面都有著越來越重要的應(yīng)用。在生物傳感領(lǐng)域里，由于表面等離子激元對介質(zhì)的折射率變化很靈敏，因此基于表面等離子激元的傳感器越來越受到重視。

與表面等離子激元有關(guān)的傳感器主要有兩類，一類是基于表面等離子體極化激元(SPP)的傳感器，另一類是基于局域表面等離子體共振(LSPR)的傳感器。他們主要都是依靠檢測周圍環(huán)境折射率的變化引起的共振波長的變化來實(shí)現(xiàn)探測的。

對于基于表面等離子體極化激元的傳感器而言，其靈敏度已經(jīng)很高，發(fā)展的瓶頸就是它需要其它條件來耦合，實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償，如棱鏡耦合，光柵耦合，從而造成傳感器的器件相對笨重，對環(huán)境條件要求很高。

對于基于局域表面等離子體共振的傳感器而言，由于局域表面等離子體的共振頻率和金屬顆粒的形狀、尺寸有密切關(guān)系，不需要相位補(bǔ)償，而且局域表面等離子體局域在一個(gè)很小的范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)單分子測量。它可以實(shí)現(xiàn)器件的小型化，能夠和現(xiàn)在流行的微流體進(jìn)行整合。但是，第二類傳感器的靈敏度比第一類傳感器低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在單純改變單個(gè)粒子的形狀和大小已經(jīng)很難大幅提升其傳感靈敏的基礎(chǔ)上，如何提高其傳感能力成為本領(lǐng)域技術(shù)人員所亟待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

鑒于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種非對稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供了一種非對稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器。該折射率傳感器包括：絕緣襯底，其至少單面拋光；金屬薄膜反射層，沉積于襯底的拋光面上；透明介質(zhì)層，沉積金屬薄膜反射層上；以及二維金屬單元陣列，形成于透明介質(zhì)層上，該二維金屬單元陣列中的每一金屬單元為非對稱單元，其是由兩個(gè)沿襯底表面排列的金屬納米柱構(gòu)成，每一金屬單元的兩金屬納米柱與位于其正下方的金屬薄膜反射層之間構(gòu)成一F-P腔回路；其中，該F-P腔回路包括：光在該金屬單元下方金屬薄膜反射層的上表面沿水平方向傳播的部分、光在透明介質(zhì)層中沿豎直方向來回傳播共兩部分、光在該金屬單元兩金屬立方柱下方的透明介質(zhì)層的上表面沿水平方向傳播的部分，和光在該金屬單元兩金屬立方柱之間下方的透明介質(zhì)層的上表面沿水平方向傳播的部分。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的非對稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器具有以下有益效果：

(1)結(jié)合了非對稱粒子Fano共振效應(yīng)以及把LSP模式和FP腔模進(jìn)行耦合，可以降低傳感器共振谷的半高寬，從而提升折射率傳感器的品質(zhì)因子(FOM)，進(jìn)而提升了局域表面等離子體傳感器性能；

(2)該折射率傳感器的結(jié)構(gòu)可以做成微納器件，實(shí)現(xiàn)小型化，可以和微流體結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)片上集成。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例非對稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器的三維立體圖；

圖2為圖1所示折射率傳感器沿X-Z面的剖面圖；

圖3為圖1所示折射率傳感器中金屬單元的示意圖。

【本發(fā)明主要元件符號(hào)說明】

1-襯底；??????????????2-金屬薄膜反射層；

3-高折射率介質(zhì)層；????4-非對稱的Au立方柱粒子陣列。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。

本發(fā)明提供了一種非對稱Au粒子陣列和FP腔耦合的折射率傳感器。該折射率傳感器使非對稱的Au粒子陣列的局域表面等離子體(LSP)模式和FP腔模式相互耦合，從而降低傳感器共振谷的半高寬，提高其品質(zhì)因子，最終提升折射率傳感器的傳感特性。