一种基于金属-介质-金属纳米圆柱结构阵列完美吸收体的折射率传感器

1.本发明涉及微纳光学技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于金属-介质-金属纳米圆柱结构阵列完美吸收体的折射率传感器。


背景技术：

2.局域表面等离激元是亚波长金属结构中自由电子与入射光在金属纳米结构中相互耦合形成的一种非传播型表面波。当电磁波照射到金属表面时，金属中的自由电子会随入射波的振荡而集体振荡，在某个特定频率下，这种集体振荡幅度达到最大值，在金属微纳结构中会形成局域等离激元共振，可以在极小的体积中产生极大的场。这一现象在许多领域都显现出了广阔的应用前景，比如改善荧光、拉曼散射、单分子检测等。此外，小体积中局部场的强增强还可用于观察局域等离激元对周围介电常数变化的响应，并且等离激元对纳米结构的尺寸、形状以及它们周围的环境高度敏感，因此这一点也被广泛运用在传感上。
3.迄今为止，人们已经针对贵金属微纳结构表面等离激元在可见光范围以及中红外波段内的光谱性质展开了一系列的研究，其表现出窄带宽的光谱特性。多种微纳结构已被研究以优化光谱特性，例如纳米球、纳米壳、纳米星等。通过对金属微纳结构的合理设计从而有效调节其光谱特性仍然是目前研究的重点。为了优化光谱特性，有人提出了完美吸收体超材料的概念。完美吸收体的基本思想主要有两点：通过调控超材料与自由空间的阻抗匹配使其反射率最小化，同时通过最大化超材料损耗以消除透射率。当超材料周围环境的折射率发生改变时，超材料的阻抗与周围环境的阻抗发生失配，使得结构的反射率发生变化，因此可以提供高对比度的光学信号，有利于对折射率变化的感知。完美吸收体的提出使得人们对于传感的研究更进一步。


技术实现要素：

4.根据上述提出传统光学折射率传感器通常存在的体积过大、应用范围有限等问题，提供一种基于金属-介质-金属纳米圆柱结构阵列完美吸收体的折射率传感器。本发明将完美吸收体与金属-介质-金属(mim)共振结构相结合，实现了超窄带宽的优异光学特性。基于窄带的光谱特性，将该完美吸收体结构应用于传感检测方面，为食品安全检测、即时医疗诊断、生物安全、药物筛检等提供一种新的技术方法。
5.本发明采用的技术手段如下：
6.一种基于金属-介质-金属纳米圆柱结构阵列完美吸收体的折射率传感器，包括：基底层和设置在基底层上的完美吸收体；
7.所述完美吸收体包括金属薄膜层、介质薄膜层以及多个金属-介质-金属纳米圆柱结构；金属薄膜层设置在所述基底层上，介质薄膜层设置在金属薄膜层上，多个金属-介质-金属纳米圆柱结构设置在介质薄膜层上；每个金属-介质-金属纳米圆柱结构包括从下至上依次排布的第一金纳米层、介质隔离层、第二金纳米层。
8.进一步地，多个所述金属-介质-金属纳米圆柱结构在金属薄膜层上呈x和y方向周期性排列。
9.进一步地，所述基底层的材料包括玻璃，基底层的厚度根据折射率传感器的工作要求设定。
10.进一步地，所述金属薄膜层的材料包括贵金属，金属薄膜层的厚度范围为50-150nm。
11.进一步地，所述介质薄膜层的材料包括氟化镁、二氧化硅、氧化铝，介质薄膜层的厚度范围为25-100nm。
12.进一步地，所述第一金纳米层和所述第二金纳米层的材料均包括金、银、铝贵金属，所述第一金纳米层和所述第二金纳米层的厚度范围均为50-100nm，直径的范围均为80-120nm。
13.进一步地，所述介质隔离层的材料包括氟化镁、二氧化硅、氧化铝，介质隔离层的厚度范围为2.5-10nm，直径的范围为80-120nm，且介质隔离层的直径与所述第一金纳米层和所述第二金纳米层的直径相同。
14.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
15.1、本发明提供的基于金属-介质-金属纳米圆柱结构阵列完美吸收体的折射率传感器，将完美吸收体与金属-介质-金属(mim)共振结构相结合，既实现了超窄带宽的光学响应，又在金属-介质-金属纳米圆柱结构周围和介质层产生极强的局域场增强。
16.2、与现存的部分完美吸收体结构相比，本发明的金属-介质-金属(mim)纳米圆柱结构具有多参量调谐光谱特性的特点。本发明可应用于传感领域，表现出了高灵敏度、高品质因数的优良性能。
17.3、本发明提供的基于金属-介质-金属纳米圆柱结构阵列完美吸收体的折射率传感器，因为是微纳级别的小体积结构，克服了传统光学折射率传感器通常存在的体积过大、应用范围有限等问题，可以在生物监测、化学、环境监测等多个领域发挥重要作用。
18.基于上述理由本发明可在微纳光学等领域广泛推广。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明金属-介质-金属(mim)纳米圆柱结构阵列完美吸收体的三维结构示意图。
21.图2为本发明金属-介质-金属(mim)纳米圆柱结构阵列完美吸收体中一个单元结构在x-z面或y-z面的平面结构示意图。
22.图3为本发明实施例提供的在空气环境中的反射光谱图。
23.图4为本发明实施例提供的折射率随周围环境折射率n变化时完美吸收体的反射率曲线变化图。
24.图5为本发明实施例提供的折射率传感器灵敏度及品质因数曲线图。
25.图中：1、基底层；2、金属薄膜层；3、介质薄膜层；4、第一金纳米层；5、介质隔离层；6、第二金纳米层。
具体实施方式
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
27.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
29.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
31.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
32.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本
发明保护范围的限制。
33.如图1所示，本发明提供了一种基于金属-介质-金属纳米圆柱结构阵列完美吸收体的折射率传感器，包括：基底层1和设置在基底层1上的完美吸收体；
34.所述完美吸收体包括金属薄膜层2、介质薄膜层3以及多个金属-介质-金属纳米圆柱结构；金属薄膜层2设置在所述基底层1上，介质薄膜层3设置在金属薄膜层2上，多个金属-介质-金属纳米圆柱结构设置在介质薄膜层3上；每个金属-介质-金属纳米圆柱结构包括从下至上依次排布的第一金纳米层4、介质隔离层5、第二金纳米层6。
35.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，多个所述金属-介质-金属纳米圆柱结构在金属薄膜层2上呈x和y方向周期性排列。如图2所示，为单个周期单元结构的x-z面或y-z面的平面结构示意图。金属纳米圆柱结构的数量根据基底的尺寸和单个单元的周期大小决定。本发明中单元周期为500nm，每个金属-介质-金属(mim)纳米圆柱结构的直径r为100nm。本发明的周期性排列金属纳米圆柱结构容易通过电子束光刻等纳米加工技术实现。
36.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述基底层1的材料包括玻璃，基底层1的厚度根据折射率传感器的工作要求设定。在本实施例中，基底层1选用折射率为1.52的玻璃材料，厚度h1符合工作要求即可，本实施例中h1为3000nm。
37.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述金属薄膜层2的材料包括贵金属，金属薄膜层2的厚度范围为50-150nm。在本实施例中，金属薄膜层2的材料为金，厚度h2为125nm。
38.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述介质薄膜层3的材料包括氟化镁、二氧化硅、氧化铝，介质薄膜层3的厚度范围为25-100nm。在本实施例中，介质薄膜层3选用的材料为二氧化硅，厚度h3为50nm。
39.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述第一金纳米层4和所述第二金纳米层6的材料均包括金、银、铝贵金属，所述第一金纳米层4和所述第二金纳米层6的厚度范围均为50-100nm，直径的范围均为80-120nm。在本实施例中，所述第一金纳米层4和所述第二金纳米层6选择的材料均为金，厚度h4、h6均为75nm，直径r均为100nm。
40.具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述介质隔离层5的材料包括氟化镁、二氧化硅、氧化铝，介质隔离层5的厚度范围为2.5-10nm，直径的范围为80-120nm，且介质隔离层5的直径与所述第一金纳米层4和所述第二金纳米层6的直径相同。在本实施例中，介质隔离层5选择的材料为二氧化硅，厚度h5为5nm。
41.实施例1
42.如图3所示，为本发明折射率传感器在空气环境中的反射光谱，该光谱图由fdtd软件模拟得到。周围环境折射率n变化范围为1.312-1.352。由图可知，空气环境中，本发明在垂直入射下存在三个共振波长，分别位于621nm、717nm以及963nm处。其中，在717nm处的半峰全宽为9nm，实现了超窄带吸收，且反射率几乎为0，具有优异的光谱响应。
43.实施例2
44.如图4所示，为本发明在不同周围环境折射率下的反射光谱曲线图。模拟本发明在不同浓度的葡萄糖溶液中的反射光谱，逐渐增加葡萄糖溶液的浓度，使其折射率从1.312逐渐增加到1.352，每次增加0.01。图中横坐标和纵坐标分别是波长和反射率，图中反射光谱曲线分别对应的外界折射率n为1.312、1.322、1.332、1.342、1.352。由图中结果可见，随着
外界折射率的增大，反射光谱曲线逐渐向共振波长增大的方向移动，即光谱发生红移。现存的部分折射率传感器的精度不高，只能感知0.1范围内的折射率变化，本发明的传感器精度可达0.01。由此，提出一种在折射率范围为1.312-1.352之间准确感知折射率变化的折射率传感器。
45.实施例3
46.如图5所示，为本发明的折射率传感器的灵敏度s及品质因数fom的曲线图，灵敏度s的定义为：
[0047][0048]
其中，δn为周围折射率变化值，δλ为周围折射率变化所对应的谐振峰波长偏移值。
[0049]
品质因数fom的定义为：
[0050][0051]
其中，s为灵敏度，fwhm为半峰全宽。
[0052]
由图中曲线可知，周围折射率为1.312、1.322、1.332、1.342、1.352所对应的品质因数分别为71、71、71、70、70，所对应的灵敏度分别为642nm/riu、641nm/riu、639nm/riu、637nm/riu、636nm/riu，本发明具有优良的传感特性。
[0053]
综上所述，本发明将完美吸收体与金属-介质-金属(mim)共振结构相结合，其展现出了超窄带宽的光谱特性。同时，本发明中的纳米级别周期结构，易于制备，能够实现小体积范围内的折射率变化检测，克服传统折射率传感器体积过大不易操作的局限。
[0054]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。