[發明專利]基于介質-介質-金屬結構的超材料光學傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201410209198.4
• 申請日: 2014-05-16
• 公開（公告）號: CN103996719A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 邵偉佳;許小亮;李為民;吳以治;王會杰;郁菁
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H01L31/02
• 分類號: H01L31/02;H01L31/18
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 何梅生

技術領域

本發明涉及一種光學傳感器，更具體的說是涉及一種超材料光學傳感器及其制備方法。

背景技術

光學傳感器在科研實踐和軍事斗爭的多個領域有著廣泛的應用，比如在環境能源、生物科技和光學成像領域。在具體的應用中，對極小的環境折射率的變化有明顯的光學響應(主要指反射或透射)是對光學傳感器的實際挑戰。光學傳感器的性質一般用折射率靈敏度(Refractive?index?sensitivity,RIS)和品質因數(Figure?of?merit,FOM)來表征。其中FOM＝RIS/FWHM(頻譜半高寬)。

近年來，超材料由于具備獨特的光學性質越來越引起科技界的重視。而超材料的一個重要應用方向——超材料光學傳感器，甚至可以用來探測環境中單個分子的變化，為超精確成像奠定了基礎。

目前超材料光學傳感器絕大部分都是基于金屬-介質-金屬(M-I-M)的三層結構設計的。但相對于微波波段，金屬在可見光和紅外波段對光有較大的吸收率，因此傳感器的熱阻尼較大，傳感器的光頻譜半高寬也會因此較大，導致FOM較小。

發明內容

本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種基于介質-介質-金屬結構的新型超材料光學傳感器，以期可以有效降低器件的熱阻尼，從而提高器件的品質因數。

本發明為解決技術問題，采用如下技術方案：

本發明基于介質-介質-金屬結構的超材料光學傳感器，其結構特點在于：在基底上從下至上依次疊加設置有金屬薄膜、介質層和周期性介質單元陣列。

基底只是起物理支撐的作用，因此可以選擇多種材料，例如玻璃片、硅片、塑料、陶瓷、金屬、木材等。

優選的，所述金屬薄膜為金薄膜、銀薄膜、銅薄膜、鋁薄膜、或鉑薄膜。

優選的，所述介質層為二氧化硅薄膜、氧化鋁薄膜、氟化鎂薄膜或碳化硅薄膜。

優選的，所述周期性介質單元陣列為氮化硅點陣、碳化硅點陣、氧化鋁點陣或氟化鎂點陣。

優選的，所述周期性介質單元陣列的周期不小于400nm。

介質單元在入射光電場的作用下產生的強烈的電偶極子共振。這種電偶極子共振的位移電流在單元內部產生磁場。根據楞次定律，磁場的出現會在單元內感生出一個磁偶極子以抵消磁場。這個磁偶極子由兩個方向相反的極化電流構成。單元下表面的極化電流產生束縛極化電荷的分布。這種束縛極化電荷會在金屬薄膜的上表面產生鏡像電荷。介質單元下表面極化電流隨時間的變化導致束縛極化電荷分布的振蕩。這種振蕩引起金屬薄膜上表面自由極化電荷的集體振蕩。從而產生表面等離激元。根據以上的分析，入射光會被局域在超材料內部，從而在反射光譜中出現一個谷。谷的位置隨周圍環境折射率的變化而變化。根據這個性質，可以制成超材料光學傳感器。當周期小于400nm時，傳感器的工作波長會落在紫外波段。當介質層厚度變化時，超材料光學傳感器的反射谷位置會出現些微的紅移。

本發明超材料光學傳感器的優選設計為：

一、所述基底為玻璃片，所述金屬薄膜為金薄膜，所述介質層為二氧化硅薄膜，所述周期性介質單元陣列為長方體氮化硅單元四方點陣。

二、所述基底為單晶硅片，所述金屬薄膜為銀薄膜，所述介質層為氧化鋁薄膜，所述周期性介質單元陣列為長方體狀碳化硅單元四方點陣。

三、所述基底為玻璃片，所述金屬薄膜為銅薄膜，所述介質層為氧化鋁薄膜，所述周期性介質單元陣列為長方體狀氮化硅單元四方點陣。

四、所述基底為單晶硅，所述金屬薄膜為鉑薄膜，所述介質層為氧化鋁薄膜，所述周期性介質單元陣列為長方體狀碳化硅單元四方點陣。

本發明所述超材料光學傳感器的制備方法，其特點在于按如下步驟進行：

a、將基底置于去離子水中超聲清洗5-20分鐘，以去除表面的雜質；

b、通過磁控濺射法或熱蒸發法在基底的上表面蒸鍍金屬薄膜，厚度優選為30nm-300nm厚的；

c、通過磁控濺射法在所述金屬薄膜上蒸鍍介質層，介質層的厚度優選為20nm-200nm；

d、通過等離子體增強化學氣相沉積法在介質層上沉積上表面介質層，然后通過激光劃線法或紫外光刻法將上表面介質層構造為周期不小于400nm周期性介質單元陣列。

與已有技術相比，本發明的有益效果體現在：