基于缺陷圆盘耦合纳米棒结构SPR传感器

基于缺陷圆盘耦合纳米棒结构spr传感器
技术领域
1.本实用新型涉及传感器技术领域，具体涉及一种基于缺陷圆盘耦合纳米棒结构spr传感器。


背景技术：

2.表面等离子体共振(surface plasmon resonance,spr)是一种物理光学现象，由入射光波和金属导体表面的自由电子相互作用而产生。表面等离子体共振具有两个突出的优点：一个是金属表面的物质特别敏感，微量的分子吸附就可以导致表面等离子体共振频率的改变；另一个在金属表面产生显著地局域场增强。spr传感器是利用表面等离子体共振原理所实现的传感器，其在化学分析，生物监测等领域具有重要的应用。目前spr传感器包括强度调制型的spr传感器、角度调制型的spr传感器和相位调制型的spr传感器，其中采用强度调制型的spr传感器具有容易受光源强度变化影响其结果的准确性的缺点，采用角度调制型的spr传感器具有检测的动态范围小，采用相位调制型的spr传感器具有系统复杂，数据处理麻烦的缺点。


技术实现要素：

3.本实用新型所要解决的是现有spr传感器结构易氧化，稳定性差和灵敏度低的问题，提供一种基于缺陷圆盘耦合纳米棒结构spr传感器。
4.为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
5.基于缺陷圆盘耦合纳米棒结构spr传感器，包括二氧化硅衬底，以及设置在二氧化硅衬底的至少一个金属纳米单元；每个金属纳米单元由金属纳米缺陷圆盘和金属纳米棒组成；金属纳米缺陷圆盘和金属纳米棒之间存在间隙；金属纳米缺陷圆盘为边缘带有矩形缺口的圆形；金属纳米棒为矩形；金属纳米缺陷圆盘上的矩形缺口朝向金属纳米棒方向，且矩形缺口的宽边中心线与金属纳米棒的宽边中心线的中线垂直。
6.上述方案中，金属纳米缺陷圆盘的矩形缺口的宽边中心线或宽边中心线的延长线经过该金属纳米缺陷圆盘的圆心。
7.上述方案中，金属纳米缺陷圆盘的矩形缺口的长度等于该金属纳米缺陷圆盘的半径。
8.上述方案中，金属纳米缺陷圆盘和金属纳米棒的厚度h相等。
9.上述方案中，金属纳米缺陷圆盘和金属纳米棒的材料为金。
10.上述方案中，通过改变金属纳米缺陷圆盘和金属纳米棒、矩形缺口的宽度、金属纳米棒的宽度d和/或金属纳米棒的长度l来实现对该金属纳米单元的共振波长的调控。
11.上述方案中，当金属纳米单元的数量为2个以上时，这些金属纳米单元在二氧化硅衬底上呈周期性排列。
12.与现有技术相比，本实用新型的通过金属纳米缺陷圆盘和金属纳米棒产生偶极子，两偶极子相互耦合产生一个表面等离子共振峰。通过改变金属纳米单元的几何参数，可
以实现表面等离子共振的共振强度及共振波长位置的调控，并获得高灵敏度。实验结果表明，本实用新型在1000nm～1600nm波段对1.00～1.08折射率的介质的最大的折射率灵敏度(s)为470
±
10nm/riu。本实用新型采用的是波长调制型的spr传感器，具有灵敏度高，稳定性好，动态范围较大，适应多种耦合方式的优点。此为，本实用新型的金纳米金属结构具有更加稳定，不易氧化和更加优异的光学特性的特点。本实用新型在环境折射率等生物传感器及微纳光子器件方面有着潜在的应用前景。
附图说明
13.图1为基于缺陷圆盘耦合纳米棒结构spr传感器的结构示意图。
14.图2为单独设置金属纳米缺陷圆盘、单独设置金属纳米棒、以及同时设置金属纳米缺陷圆盘和金属纳米棒的透射光谱曲线图。
15.图3为改变金属纳米缺陷圆盘和金属纳米棒之间的距离g(10nm、15nm、 20nm、25nm、30nm)，得到的透射光谱曲线图。
16.图4为改变金属纳米缺陷圆盘的矩形缺口宽度w(30nm、40nm、50nm、 60nm)，得到的透射光谱曲线图。
17.图5为改变金属纳米棒的宽度d(15nm、20nm、25nm、30nm、35nm)，得到的透射光谱曲线图。
18.图6为改变金属纳米棒的长度l(220nm、230nm、240nm、250nm、260nm)，得到的透射光谱曲线图。
19.图7为改变周围折射率n(1.00、1.02、1.04、1.06、1.08)，得到传感器的传输特性曲线图。
20.图8为折射率n(1.00、1.02、1.04、1.06、1.08)与共振波长的曲线。
21.图中标示：1、二氧化硅衬底；2-1、金属纳米缺陷圆盘；2-2、金属纳米棒。
具体实施方式
22.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本实用新型进一步详细说明。
23.参见图1，一种基于缺陷圆盘耦合纳米棒结构spr传感器，包括二氧化硅衬底1，以及设置在二氧化硅衬底1的至少一个金属纳米单元。当二氧化硅衬底1上存在多个金属纳米单元时，这些金属纳米单元在二氧化硅衬底1 上呈周期性排列。每个金属纳米单元由金属纳米缺陷圆盘2-1和金属纳米棒 2-2组成。金属纳米缺陷圆盘2-1和金属纳米棒2-2之间存在间隙。金属纳米缺陷圆盘2-1为边缘带有矩形缺口的圆形。金属纳米棒2-2为矩形。金属纳米缺陷圆盘2-1上的矩形缺口朝向金属纳米棒2-2方向，且矩形缺口的宽边中心线与金属纳米棒2-2的宽边中心线的中线垂直。当偏振光入射到金属纳米单元的表面时，金属纳米缺陷圆盘2-1和金属纳米棒2-2为偶极子，两偶极子相互耦合产生spr共振。平面波沿spr传感器z轴正方向向下垂直入射金属表面，沿y方向偏振，x和y方向设成周期边界条件，z方向设置为吸收边界条件(pml)，以保证边界上的介质连续分布。
24.金属纳米缺陷圆盘2-1上的矩形缺口的一端位于金属纳米缺陷圆盘2-1 的中部，另一端一直延伸至金属纳米缺陷圆盘2-1的边缘。矩形缺口的宽边中心线可以与金属纳米
缺陷圆盘2-1的直径重合，也可以与金属纳米缺陷圆盘2-1的直径不重合。在实用新型优选实施例中，矩形缺口的宽边中心线可以与金属纳米缺陷圆盘2-1的直径重合，即矩形缺口的宽边中心线或宽边中心线的延长线经过金属纳米缺陷圆盘2-1的圆心。当矩形缺口的长度等于或大于金属纳米缺陷圆盘2-1的半径时，矩形缺口的宽边中心线经过金属纳米缺陷圆盘2-1的圆心；当矩形缺口的长度小于金属纳米缺陷圆盘2-1的半径时，矩形缺口的宽边中心线的延长线经过金属纳米缺陷圆盘2-1的圆心。在实用新型优选实施例中，矩形缺口的长度等于金属纳米缺陷圆盘2-1的半径。
25.在本实用新型中，选取金作为金属薄膜即金属纳米缺陷圆盘2-1和金属纳米棒2-2的材料。金属纳米缺陷圆盘2-1与金属纳米棒2-2的厚度h一致为 30nm。金属纳米缺陷圆盘2-1的矩形缺口的长度r与金属纳米缺陷圆盘2-1 的半径一致为130nm，矩形缺口的宽度w为30nm～60nm。金属纳米棒2-2 的宽度d为15nm～35nm，金属纳米棒2-2的长度l为220nm～260nm。金属纳米缺陷圆盘2-1与金属纳米棒2-2的之间的距离g为10nm～30nm。周围环境折射率变化范围为1.00～1.08。在本实用新型优选实施例中，矩形缺口的宽度w＝50nm。金属纳米棒2-2的宽度d＝25nm，金属纳米棒2-2的长度l＝240nm。金属纳米缺陷圆盘2-1与金属纳米棒2-2的之间的距离g＝20nm。
26.图2为在1000nm～1600nm波长范围，在二氧化硅衬底1上单独设置金属纳米缺陷圆盘2-1、单独设置金属纳米棒2-2和同时设置金属纳米缺陷圆盘2-1 与金属纳米棒2-2的透射光谱曲线。由图可以看出，只有在二氧化硅衬底1 上同时设置金属纳米缺陷圆盘2-1和金属纳米棒2-2相耦合时才会产生共振。
27.调整金属纳米单元的几何参数，即改变金属纳米缺陷圆盘2-1和金属纳米棒2-2、矩形缺口的宽度、金属纳米棒2-2的宽度d和/或金属纳米棒2-2的长度l(当改变金属纳米棒2-2的宽度d时，共振强度和共振波长位置同时改变；当改变金属纳米棒2-2的长度l时，共振波长的位置发生改变)，金属纳米颗粒之间的局域表面等离激元共振会因电场耦合效应发生改变，从而使得金属纳米单元的光谱的共振波长即共振强度或共振波长位置将发生改变，同时对周围的环境折射率有着较高的敏感度。
28.图3为改变金属纳米缺陷圆盘2-1和金属纳米棒2-2之间的距离g得到的透射光谱曲线，耦合距离g以5nm的步长从10nm增加到30nm，由图可以看出，随着距离g的增加共振波长发生红移。图4为改变金属纳米缺陷圆盘2-1 的缺陷口宽度w得到的透射光谱曲线，缺陷口宽度w以10nm的步长从30nm 增加到60nm，由图可以看出，随着缺陷口宽度w的增加，共振波长出现蓝移。图5为改变金属纳米棒2-2的宽度d得到的透射光谱曲线，宽度d以5nm 的步长从15nm增加到35nm，由图可以看出，随着宽度d的增加，共振波长出现蓝移。图6为改变金属纳米棒2-2的长度l得到的透射光谱曲线，宽度l 以10nm的步长从220nm到260nm，由图可以看出，随着宽度l的增大，共振波长出现红移。以上结果说明，通过改变金属纳米单元的几何参数，可以有效调节共振波长。
29.图7为改变周围环境的折射率n得到传感器的传输特性曲线，使周围环境的折射率n以0.02的步长从1.00增加到1.08，由图可以看出，随着折射率 n的增加，共振峰出现明显的红移。图8为不同折射率n和共振波长之间的关系曲线，基于此关系曲线，根据灵敏度(s)公式：s＝dλ/dn(nm/riu)表示为因介质折射率的变化引起的共振波长的偏移，得到共振峰的灵敏度为 470
±
10nm/riu。以上结果说明，通过合理的设置金属纳米单元的几何参数，可
以得到一个最佳的灵敏度。
30.需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。