[發(fā)明專利]一種基于介質(zhì)-金屬混合體系的BICs超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)傳感器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210525167.4
• 申請(qǐng)日: 2022-05-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115061224A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周一;吳翔
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B1/00
• 分類號(hào): G02B1/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發(fā)明屬于生物傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于介質(zhì)?金屬混合體系的BICs超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)傳感器。本發(fā)明BICs超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)傳感器是由四個(gè)不同大小的柱體二、二排列作為晶胞，經(jīng)二維平面延拓組成的陣列；所述柱體高度一致，四個(gè)柱體橫截面為同為正方形或圓形；四個(gè)柱體的寬度記為w₁、w₂、w₃、w₄，滿足w₁=w₃，w₂=w₄，且w₁≠w₂，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面內(nèi)的對(duì)稱破缺，產(chǎn)生quasi?BICs模式的激發(fā)；陣列結(jié)構(gòu)下面是作為反射層的金屬膜；金屬膜下面是作為結(jié)構(gòu)支撐層的襯底。本發(fā)明提供的BICs超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)傳感器，解決了全介質(zhì)材料結(jié)構(gòu)體系的低靈敏度以及全金屬材料結(jié)構(gòu)的低Q值問(wèn)題；同時(shí)通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生quasi?BIC現(xiàn)象，進(jìn)一步調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)整體的Q值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于生物傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于介質(zhì)-金屬混合體系的BICs超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)傳感器。

背景技術(shù)

超構(gòu)表面是由人工排列的亞波長(zhǎng)單元（稱為“晶胞”）組成的陣列，其光學(xué)特性可以由晶胞結(jié)構(gòu)的形狀、材料和參數(shù)控制，具有非常高的調(diào)節(jié)自由度，以滿足特定的設(shè)計(jì)需求。也正是由于其強(qiáng)大的電磁場(chǎng)操控特性，超構(gòu)表面被廣泛應(yīng)用于光學(xué)調(diào)制器、光學(xué)濾波器、光學(xué)傳感器、量子器件等領(lǐng)域。

作為生物傳感器，超構(gòu)表面可以將光場(chǎng)局域在亞波長(zhǎng)量級(jí)，使得其對(duì)結(jié)構(gòu)表面變化的響應(yīng)極其靈敏。所以超構(gòu)表面非常適用于對(duì)生物分子進(jìn)行無(wú)標(biāo)記、時(shí)實(shí)、高靈敏地檢測(cè)。

主流的超構(gòu)表面體系主要是基于金屬材料產(chǎn)生的表面等離激元現(xiàn)象，或者介質(zhì)材料產(chǎn)生的米氏共振（或?qū)９舱瘢┈F(xiàn)象。從傳感角度出發(fā)，基于金屬材料激發(fā)的表面等離子共振效應(yīng)會(huì)在探測(cè)區(qū)域產(chǎn)生更廣的倏逝場(chǎng)分布，因此金屬類超構(gòu)表面?zhèn)鞲衅饔兄叩撵`敏度。但是金屬材料在可見(jiàn)波段及近紅外的極高材料損耗，使得金屬類傳感器的Q值無(wú)法做到很高，這樣會(huì)影響低濃度探測(cè)的精細(xì)度。此外，基于全介質(zhì)材料的米氏共振（或?qū)９舱瘢m然其低損耗的特點(diǎn)可以產(chǎn)生高Q值的共振效應(yīng)，但是這種體系的靈敏度有限，與金屬材料體系相差較大。

為了解決這些缺點(diǎn)，常用的方法是采用介質(zhì)加金屬材料組成的（光子-等離子體）混合型超構(gòu)表面?zhèn)鞲衅鳌＿@是相對(duì)于純介質(zhì)和純金屬材料的一個(gè)中和方案，其特點(diǎn)在于相對(duì)純介質(zhì)材料結(jié)構(gòu)的靈敏度有所提升，同時(shí)相對(duì)于純金屬材料的Q值又會(huì)有提高。當(dāng)然，現(xiàn)有的光子-等離子體混合型超構(gòu)表面的Q值也很難突破200，仍然存在一定的不足。

近來(lái)，研究人員發(fā)現(xiàn)非對(duì)稱的超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)可以激發(fā)（準(zhǔn)）連續(xù)譜束縛態(tài)（boundstatesinthecontinuum，BICs）。連續(xù)譜束縛態(tài)是處于輻射區(qū)域的一種無(wú)輻射電磁態(tài)，在理論上擁有無(wú)限大的Q值。當(dāng)然理想的BICs由于其暗場(chǎng)性質(zhì)是無(wú)法測(cè)到的。而非對(duì)稱的超構(gòu)表面可以破壞這種暗場(chǎng)性質(zhì)，使其可以與外場(chǎng)耦合從而被觀測(cè)。此時(shí)，理想的BICs變?yōu)闇?zhǔn)（quasi-）BICs，但是仍然保持高Q值的特性，且此時(shí)的Q值與超構(gòu)表面的非對(duì)稱系數(shù)成負(fù)二次方系數(shù)相關(guān)，即Q值隨著非對(duì)稱系數(shù)的增加而降低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于介質(zhì)-金屬混合體系的BICs超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)傳感器，以解決上述全介質(zhì)材料結(jié)構(gòu)體系的低靈敏度以及全金屬材料結(jié)構(gòu)體系的低Q值問(wèn)題，

本發(fā)明提供的基于介質(zhì)-金屬（即光子-等離子體）混合體系的BICs超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)傳感器，是由四個(gè)不同大小的柱體二、二排列作為晶胞，經(jīng)二維平面延拓組成的陣列，該晶胞也稱為“四聚體”；