[發明專利]一種蝶形超材料光學傳感器

在審

• 申請號: 202011099724.8
• 申請日: 2020-10-14
• 公開（公告）號: CN112229815A
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發明（設計）人: 崔寧;關敏;張楊;邵泓焰;曾一平
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: G01N21/3586
• 分類號: G01N21/3586;G01N21/59
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周天宇

一種蝶形超材料光學傳感器，包括：襯底(1)；超材料陣列層(2)，所述超材料陣列層(2)生長于襯底(1)的表面；所述超材料陣列層(2)的構成成分全是金屬，或金屬與二維材料的組合；所述超材料陣列層(2)的結構是陣列排布的多個周期性單元，所述多個周期性單元中的每一個周期性單元由兩個尖端元素結構相對構成，呈蝶形對稱結構。本發明提供了一種高靈敏度、窄線寬的場增強型超材料光學傳感器，通過對該蝶形超材料的結構參數進行設計，可以靈活的調節該傳感器的靈敏度和光譜響應波段。

技術領域

本發明涉及光學傳感器技術領域，尤其涉及一種蝶形超材料光學傳感器。

背景技術

基于超材料的光學傳感器可以對周圍環境介質的細微變化做出敏感的反應，非常適用于液體樣品的微量無標簽檢測。并且，超材料的光學特性由其幾何形狀、尺寸和表面介電常數決定，所以具有很高的靈活性和可調性。因為周圍環境的介電常數與一些光學參數有函數關系，超材料傳感器本質上也是一種光學傳感器。

太赫茲時域光譜(THz-TDS)是無標簽測量的強大技術之一，將THz技術與超材料傳感器相結合，不僅可以開發出緊湊的太赫茲超材料傳感器，而且可以開發出高靈敏度的新型太赫茲分析裝置。在太赫茲超材料傳感器的實際應用中，窄線寬諧振和電磁場增強是獲得更高效率或靈敏度的首選。近年來，許多研究報道減小線寬可以通過在結構中加入不對稱元素實現，最經典的就是一種激發Fano共振的非對稱分裂環諧振器(SRR)，這種結構可以降低金屬結構中等離子體模的偶極矩，從而減小結構中的輻射損耗，達到窄線寬諧振的目的。雖然SRR結構具有很好的諧振調節特性，可以實現高的Q因子，但是通過控制SRR的臂長和間隙大小來調整諧振狀態，會使得結構對制造誤差非常敏感，Q因子可能會因為與預期設計的微小偏差而急劇下降。并且同時在一個SRR或導電耦合結構中實現局域場增強仍然是一個挑戰。

蝶形超材料是由兩個尖端相對的金屬結構構成，其之間的小間隙構產生的相互作用可以限制強局域近場，這個增強的局域場對周圍環境介質的變化非常敏感，從而增強器件的靈敏度。近些年來，一些工作已經證明了場增強型超材料在表面增強拉曼散射、相位調制和太赫茲傳感等方面的應用潛力。但是蝶形三角材料對THz的調諧特性不如SRR超材料，一方面是可改變的幾何參數有限，另一方面，其結構的共振強度和線寬受到蝶形結構阻尼的限制，因此發展具有窄線寬共振和強場效應的整體蝶形超材料結構具有重要的意義。

發明內容

(一)要解決的技術問題

有鑒于此，本發明提供一種蝶形超材料光學傳感器及其制作方法，解決現有蝶形超材料技術中存在的強局域電場產生和調諧特性的技術問題。

(二)技術方案

本發明一方面提供一種蝶形超材料光學傳感器，包括：襯底1；超材料陣列層2，所述超材料陣列層2生長于襯底1的表面；所述超材料陣列層2的構成成分全是金屬，或金屬與二維材料的組合；所述超材料陣列層2的結構是陣列排布的多個周期性單元，所述多個周期性單元中的每一個周期性單元由兩個尖端元素結構相對構成，呈蝶形對稱結構。

可選地，所述襯底1為固態或柔性襯底，其材料為石英、高阻硅、砷化鎵、聚酰亞胺或聚甲基戊烯中的一種。

可選地，所述襯底1的厚度為100-1000μm，所述超材料陣列層2的總厚度為150nm-3μm。

可選地，所述金屬包括銅加金、銅加銀、銅加鈦、鎳加金、鎳加銀、鎳加鈦中的一種；所述二維材料包括石墨烯、二硫化鉬、二硫化鎢中的一種，所述二維材料位于所述金屬的表面。