[發明專利]一種提高折射率傳感器件品質因數的結構及測試方法

有效

• 申請號: 202010680808.4
• 申請日: 2020-07-15
• 公開（公告）號: CN111879728B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發明（設計）人: 黃小丹;仇超;王詩軍;季小峰;王艷;朱敏
• 申請（專利權）人: 常州機電職業技術學院
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G01N21/59
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 韓麗娜

本發明涉及一種提高折射率傳感器件品質因數的結構及測試方法，屬于傳感器折射率品質因數的領域。該結構由基底、位于基底表面的復合層組成，所述復合層包括上金屬層、中間半導體層和下介電層，其中上金屬層為周期性的金屬納米顆粒陣列，中間半導體層為周期性的半導體納米柱陣列，下介電層為周期性的介電納米柱陣列。利用本發明中金屬納米顆粒的局域表面等離激元共振、半導體納米柱的米氏共振與周期陣列的衍射波之間的多元耦合作用，以及介電納米柱減弱的襯底效應，能獲得靈敏度較高、帶寬極窄的等離激元晶格共振，克服了傳統金屬等離激元晶格共振結構存在帶寬較寬的問題，提高了折射率傳感器件的品質因數，在生物、醫學、食品等領域具有廣泛應用。

技術領域

本發明涉及一種提高折射率傳感器件品質因數的結構及測試方法，屬于傳感器折射率品質因數裝置技術領域。

背景技術

周期性金屬納米顆粒陣列因支持等離激元晶格共振能產生高增強的局域電磁場，在高性能傳感領域有著廣泛的應用前景。基于等離激元晶格共振傳感器的傳感性能主要由品質因數所決定，其品質因數定義為等離激元晶格共振對周圍介質環境的靈敏度除以等離激元晶格共振帶寬(半高寬)，很明顯，可以通過提高靈敏度和/或減小等離激元晶格共振帶寬來改善品質因數。

然而，等離激元晶格共振特性對陣列的結構參數和介質環境的變化非常敏感，導致在實際應用中，由于對金屬納米顆粒陣列起支撐作用的襯底材料比空氣具有更高的折射率，與襯底接觸的金屬表面電磁場會耦合進入介質襯底中。這會減弱相應的電磁場強度并增加共振的帶寬，使得等離激元晶格共振被抑制，以致實際檢測中難以分辨幾個納米甚至是幾十納米的峰位置移動，從而無法有效、準確地用于傳感分析。因此，襯底效應是制約金屬等離激元晶格共振結構傳感器發展的關鍵技術問題之一。

為了克服以上技術問題，典型的就是《Nano Letters》在2008年8卷11期3893–3898頁上登載的“Enhanced nanoplasmonic optical sensors with reduced substrate”一文，AlexandreDmitriev等人設計了一種支撐在二氧化硅納米柱上的金納米圓盤陣列結構，發現金納米圓盤表面的電磁場顯著增強，在一定程度上提高了金納米圓盤陣列的傳感靈敏度。在最近(2020年3月)的一項工作中(X.Huang,C.Lou,H.Zhang,H.Yang,“Effects ofdifferentstructural parameters and the medium environment on plasmoniclattice resonance formed by Agnanospheres on SiO₂ nanopillar arrays”,ChineseOptics Letters(2020)18(3),33601)，黃小丹等人證實支撐在二氧化硅納米柱上的銀納米球陣列，可以形成等離激元晶格共振，產生高增強的局域電磁。但該結構在用于傳感檢測時，仍存在帶寬較寬(15nm)的問題，以至于其品質因數較小。因此，等離激元晶格共振的帶寬需進一步減小，品質因數需進一步提高。

發明內容

本發明為了解決上述背景技術中提到的金屬等離激元晶格共振結構傳感器帶寬較寬，品質因數較小的問題，提供一種提高折射率傳感器件品質因數的結構及測試方法。

本發明提出一種提高折射率傳感器件品質因數的結構，包括基底和位于基底表面的若干陣列排列的復合層，所述復合層包括金屬層、半導體層和介電層，所述金屬層、半導體層和介電層從上至下依次排布，其中金屬層為周期性的金屬納米顆粒陣列，半導體層為周期性的半導體納米柱陣列，介電層為周期性的介電納米柱陣列。

優選地，所述金屬層的金屬納米顆粒陣列、半導體層的半導體納米柱陣列、介電層的介電納米柱陣列具有相同的周期和對稱性，周期為300-2000nm。

優選地，所述金屬層的金屬納米顆粒陣列的材料是金、銀、銅、鋁中的任意一種，所述金屬納米顆粒的形狀為球狀、半球狀或圓柱狀，所述金屬納米顆粒的直徑小于300nm。