[發明專利]一種基于石墨烯-銀光柵的表面等離子體共振傳感器

有效

• 申請號: 202010068181.7
• 申請日: 2020-01-21
• 公開（公告）號: CN111239082B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 司光遠;孔魯;蘇金鑫;王祿豐;楊冀銘;莫欣偉
• 申請（專利權）人: 東北大學秦皇島分校
• 主分類號: G01N21/552
• 分類號: G01N21/552;G01N21/01
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 陳曦

本發明的一種基于石墨烯?銀光柵的表面等離子體共振傳感器，包括：耦合棱鏡、上金屬薄膜層、金屬光柵層、下金屬薄膜層和石墨烯層；所述上金屬薄膜層附于金屬光柵層的上表面，所述下金屬薄膜層附于金屬光柵層的下表面，所述耦合棱鏡設置于所述下金屬薄膜層的下方；所述石墨烯層作為生物分子識別層覆蓋在上金屬薄膜層之上與待測介質接觸。在角度調制的模式下檢測待測物折射率的變化。與傳統的單層金屬結構的表面等離子體共振傳感器相比，引入了二維材料和金屬光柵結構，顯著地提高了傳感器的靈敏度，具有很強的應用價值。

技術領域

本發明屬于光學傳感技術領域，涉及一種基于石墨烯-銀光柵的表面等離子體共振傳感器。

背景技術

表面等離子體共振本質上是一種光學現象。在傳統的表面等離子體共振傳感器中，當橫磁波以大于臨界角的入射角度從棱鏡入射到金屬表面時，金屬表面電子與光子相互作用產生表面等離子體波。當表面等離子體波波矢與入射光波矢匹配時，兩種波會發生強烈的耦合激發表面等離子體共振，此時入射光的能量轉移到表面等離子體波中，導致反射光的能量急劇下降。從而在光譜上表現為一個反射率衰減的尖峰。在反射率最低時對應的入射角稱之為共振角。

表面等離子體共振對周圍介質參數的變化極為敏感。這些參數的改變會同時引起共振角度的變化，通過共振角的變化可以獲取待測物的相關信息。由于表面等離子體的特性，基于表面等離子體共振的傳感器具有靈敏度高、檢測方便、可實時檢測等諸多優點，現已廣泛應用于環境監測、疾病診斷、食品安全等領域。但在生物和化學檢測領域，相關的表面等離子體共振傳感器顯現出的靈敏度仍不能滿足低分子量分析物在極度稀釋環境下的檢測。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種基于石墨烯-銀光柵的表面等離子體共振傳感器,可實現高場強表面等離子體共振模式的激發，進而實現高靈敏度傳感。

本發明提供一種基于石墨烯-銀光柵的表面等離子體共振傳感器，包括：耦合棱鏡、上金屬薄膜層、金屬光柵層、下金屬薄膜層和石墨烯層；所述上金屬薄膜層附于金屬光柵層的上表面，所述下金屬薄膜層附于金屬光柵層的下表面，所述耦合棱鏡設置于所述下金屬薄膜層的下方；所述石墨烯層作為生物分子識別層覆蓋在上金屬薄膜層之上與待測介質接觸。

在本發明的基于石墨烯-銀光柵的表面等離子共振傳感器中，所述金屬光柵層的光柵脊高度為10～100nm，光柵脊寬度為15～50nm，光柵周期為60～140nm。

在本發明的基于石墨烯-銀光柵的表面等離子共振傳感器中，所述金屬光柵層的光柵脊高度為50nm，光柵脊寬度為50nm，光柵周期為100nm。

在本發明的基于石墨烯-銀光柵的表面等離子共振傳感器中，所述上金屬薄膜層的厚度為10～40nm，下金屬薄膜層厚度為10～50nm。

在本發明的基于石墨烯-銀光柵的表面等離子共振傳感器中，所述上金屬薄膜層的厚度為15nm，下金屬薄膜層的厚度為10nm。

在本發明的基于石墨烯-銀光柵的表面等離子共振傳感器中，石墨烯層的層數為0～10層，每層厚度為0.34nm。

在本發明的基于石墨烯-銀光柵的表面等離子共振傳感器中，所述耦合棱鏡采用BK7玻璃的半球形棱鏡，所述耦合棱鏡的折射率大于或等于待測物的折射率。

在本發明的基于石墨烯-銀光柵的表面等離子共振傳感器中，所述上金屬薄膜層和下金屬薄膜層均為銀薄膜層，金屬光柵層為銀光柵層。

本發明的一種基于石墨烯-銀光柵的表面等離子體共振傳感器，引入了二維材料石墨烯與一維銀光柵結構，在銀光柵上下均設置一層薄銀層，這樣有助于有效激發表面等離子體共振；采用石墨烯作為生物分子識別層覆蓋于處于金屬光柵層上方薄銀層之上與待測物質接觸，通過耦合棱鏡調節入射角度；通過選擇合適的金屬薄膜層厚度與金屬光柵層結構參數(脊高、脊寬、周期)，有效地提高了表面等離子體共振傳感器的靈敏度。

附圖說明