一種基于多孔鋁膜結(jié)構(gòu)的表面等離子共振高折射率傳感器及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于多孔鋁膜結(jié)構(gòu)的表面等離子共振高折射率傳感器及其應(yīng)用，屬于傳感器的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]由于表面等離激元(Surface Plasmon Polariton, SPP)具有獨(dú)特的光學(xué)特性，在單分子探測(cè)，新型顯示、太陽(yáng)能電池、以及負(fù)折射材料等方面有著重要的應(yīng)用前景，成為當(dāng)前研究的學(xué)者廣泛重視的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。其中，表面等離子體共振(surface pIasmonresonance，SPR)技術(shù)因具有無(wú)需標(biāo)記、高靈敏、高特異性、實(shí)時(shí)和快速等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于生物傳感器中。但是目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)光纖的研究主要存在以下問題:
[0003]I)國(guó)內(nèi)外報(bào)道的表面等離子共振高折射率傳感器多數(shù)基于金屬鍍膜結(jié)構(gòu)，存在穩(wěn)定性差、激發(fā)效率低以及對(duì)比度小等問題；
[0004]2)有關(guān)在普通范圍內(nèi)折射率檢測(cè)的表面等離子共振高折射率傳感器較多，而應(yīng)用于較高折射率環(huán)境下的傳感器鮮為報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)不足，本發(fā)明提供一種基于多孔鋁膜結(jié)構(gòu)的表面等離子共振高折射率傳感器。本發(fā)明通過優(yōu)化孔徑、厚度以及周期等參數(shù)，增強(qiáng)亞波長(zhǎng)孔徑中的反常光透射現(xiàn)象，從而在多孔結(jié)構(gòu)中形成了 2個(gè)共振峰；在可見光波段，利用2個(gè)共振峰極大的增加了折射率的檢測(cè)范圍，有望在高折射率檢測(cè)場(chǎng)合得到重要應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明還提供一種利用上述傳感器的傳感方法。本發(fā)明具有激發(fā)效率高、可實(shí)現(xiàn)大范圍折射率測(cè)量以及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
[0007]技術(shù)術(shù)語(yǔ)解釋:
[0008]石英波導(dǎo):由于石英的折射率較大，因此耦合進(jìn)石英的光會(huì)發(fā)生全反射，進(jìn)而在石英中傳輸，形成波導(dǎo)。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]一種基于多孔鋁膜結(jié)構(gòu)的表面等離子共振高折射率傳感器，包括石英波導(dǎo)和設(shè)置在所述石英波導(dǎo)上表面設(shè)置的多孔金屬鋁膜層以及入射光源和探測(cè)器。
[0011]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述多孔金屬鋁膜層的厚度為10-100nm。
[0012]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述石英波導(dǎo)的厚度為l-10mm。
[0013]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述入射光源為入射波長(zhǎng)400-750nm的LED光源。
[0014]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在所述多孔金屬鋁膜層上設(shè)置有直徑為100-200nm的孔，所述孔的排布周期為200nm-400nm。
[0015]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述多孔金屬鋁膜層的制備方法包括:
[0016]首先，在石英波導(dǎo)上表面旋涂光刻膠；
[0017]其次，采用電子束光刻將二維周期圓孔圖樣直接刻寫到所述光刻膠上；
[0018]然后，用鍍膜機(jī)鍍上一層金屬鋁膜；
[0019]最后，去除光刻膠和附著于光刻膠上的圓形金屬鋁膜層，得到多孔金屬鋁膜層。
[0020]一種利用上述傳感器的傳感方法，包括步驟如下:
[0021]I)入射光源耦合進(jìn)所述石英波導(dǎo)中，由于全反射效應(yīng)，入射光在石英波導(dǎo)的束縛下傳輸；
[0022]2)入射光在到達(dá)多孔金屬鋁膜層后，入射光線經(jīng)石英波導(dǎo)耦合射出，并在所述多孔金屬鋁膜層的表面形成等離子共振效應(yīng)；
[0023]3)由于匹配條件的限制:不同入射光波長(zhǎng)下，光的耦合效率不同；在特定光波長(zhǎng)下耦合效率達(dá)到最大，形成光譜共振吸收峰；傳感器所處不同環(huán)境折射率下，共振光波長(zhǎng)隨著環(huán)境折射率的增大向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器所處環(huán)境折射率的測(cè)量。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)勢(shì):
[0025]本發(fā)明采用多孔金屬層結(jié)構(gòu)作為傳感結(jié)構(gòu)，顯著增強(qiáng)了表面等離子共振強(qiáng)度，極大提高傳感器的靈敏度。
[0026]本發(fā)明利用電子束光刻法制作多孔金屬鋁膜層傳感結(jié)構(gòu)，具有工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。
[0027]本發(fā)明所述傳感器可實(shí)現(xiàn)在不改變普通可見光光源的情況下，對(duì)高折射率段進(jìn)行有效檢測(cè)。
[0028]本發(fā)明所述多孔結(jié)構(gòu)形成微納傳感結(jié)構(gòu)，可同時(shí)應(yīng)用于高折射率和低折射率監(jiān)測(cè)的表面等離子共振生物傳感器。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明所述傳感器的原理示意圖；
[0030]圖2是傳感器所處的待測(cè)環(huán)境介質(zhì)的折射率為1.45時(shí)，本發(fā)明所述傳感器的反射譜圖；
[0031]圖3本發(fā)明所述傳感方法中，當(dāng)入射光源的光波長(zhǎng)為675nm時(shí)，在所述圓孔處的表面等離子體共振圖樣；
[0032]圖4是本發(fā)明所述傳感方法中，不同待測(cè)環(huán)境介質(zhì)的折射率下的反射光譜圖；
[0033]在圖1中，1、入射光源；2、石英波導(dǎo)；3、多孔金屬鋁膜層；4、傳感器所處的待測(cè)環(huán)境介質(zhì)；5、金屬鋁膜層上周期排布的圓孔。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不限于此。
[0035]實(shí)施例1、
[0036]如圖1所示。
[0037]—種基于多孔鋁膜結(jié)構(gòu)的表面等離子共振高折射率傳感器，包括石英波導(dǎo)和設(shè)置在所述石英波導(dǎo)上表面設(shè)置的多孔金屬鋁膜層以及入射光源和探測(cè)器。
[0038]所述多孔金屬招膜層的厚度為10-100nm。
[0039]所述石英波導(dǎo)的厚度為1-1Omm0
[0040]所述入射光源為入射波長(zhǎng)400-750nm的LED光源。
[0041]在所述多孔金屬鋁膜層上設(shè)置有直徑為100-200nm的孔，所述孔的排布周期為200nm_400nmo
[0042]實(shí)施例2、
[0043]如實(shí)施例1所述的多孔金屬鋁膜層的制備方法包括:
[0044]首先，在石英波導(dǎo)上表面旋涂光刻膠；
[0045]其次，采用電子束光刻將二維周期圓孔圖樣直接刻寫到所述光刻膠上；
[0046]然后，用鍍膜機(jī)鍍上一層金屬鋁膜；
[0047]最后，去除光刻膠和附著于光刻膠上的圓形金屬鋁膜層，得到多孔金屬鋁膜層。
[0048]實(shí)施例3、
[0049]一種利用如實(shí)施例1所述傳感器的傳感方法，包括步驟如下:
[0050]I)入射光源耦合進(jìn)所述石英波導(dǎo)中，由于全反射效應(yīng)，入射光在石英波導(dǎo)的束縛下傳輸；
[0051]2)入射光在到達(dá)多孔金屬鋁膜層后，入射光線經(jīng)石英波導(dǎo)耦合射出，并在所述多孔金屬鋁膜層的表面形成等離子共振效應(yīng)；
[0052]3)由于匹配條件的限制:不同入射光波長(zhǎng)下，光的耦合效率不同；在特定光波長(zhǎng)下耦合效率達(dá)到最大，形成光譜共振吸收峰；傳感器所處不同環(huán)境折射率下，共振光波長(zhǎng)隨著環(huán)境折射率的增大向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器所處環(huán)境折射率的測(cè)量。
[0053]圖2是當(dāng)待測(cè)環(huán)境介質(zhì)的折射率1.45時(shí)，傳感器的反射譜，由圖3可以看出在波長(zhǎng)為675nm處出現(xiàn)了尖銳的凹谷，因此在此波長(zhǎng)上產(chǎn)生了強(qiáng)烈的表面等離子共振現(xiàn)象。
[0054]圖3是本發(fā)明所述傳感方法中，在波長(zhǎng)為675nm的入射光源時(shí)，圓孔處的表面等離子體共振圖樣。可以看出，偏振方向平行于X軸的平面波垂直入射到圓孔上。由傳統(tǒng)表面等離激元的理論可知，只有電場(chǎng)方向垂直于金屬-介質(zhì)分界面的TM模才能激發(fā)表面出表面等離激元從而產(chǎn)生SPR現(xiàn)象。在圓的上下兩側(cè)，由于其切向平行入射光場(chǎng)的偏振方向，因此不能夠激發(fā)等離子震蕩。而在圓孔的左右兩側(cè)，其切向垂直于入射光場(chǎng)的偏振方向，因此可以激發(fā)等離子震蕩，與理論相吻合。
[0055]圖4是本發(fā)明所述傳感方法中，不同待測(cè)環(huán)境介質(zhì)折射率下的反射光譜圖?？梢钥闯?，隨著折射率的增大，共振峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。與傳統(tǒng)的表面等離子共振器件不同，此結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的共振峰有兩條。當(dāng)折射率由1.3變化到1.6時(shí)，共振波長(zhǎng)由628nm移動(dòng)到733nm,傳感器的靈敏度為350nm/RIU,此共振峰為傳統(tǒng)表面等離子共振產(chǎn)生的共振峰，共振深度較深，被廣泛應(yīng)用于折射率檢測(cè)，生物傳感等領(lǐng)域。當(dāng)折射率繼續(xù)增大時(shí)，此共振波長(zhǎng)便移動(dòng)到可見光波段之外。本文設(shè)計(jì)的基于多孔的表面等離子共振高折射率傳感器可以有效的解決這個(gè)問題，當(dāng)折射率繼續(xù)增大時(shí)，透射曲線將出現(xiàn)另一組共振峰，原因可能歸結(jié)于多孔鋁膜結(jié)構(gòu)中支持的為表面等離子波。當(dāng)折射率從1.7變化到2.3時(shí)，共振波長(zhǎng)由582nm移動(dòng)到741nm，傳感器的靈敏度為265nm/RIU?？稍诓桓淖兤胀梢姽夤庠吹那闆r下，在高折射率檢測(cè)場(chǎng)合得到重要應(yīng)用。
[0056]上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于多孔鋁膜結(jié)構(gòu)的表面等離子共振高折射率傳感器，其特征在于，所述傳感器包括石英波導(dǎo)和設(shè)置在所述石英波導(dǎo)上表面設(shè)置的多孔金屬鋁膜層以及入射光源和探測(cè)器。2.如權(quán)利要求1所述的一種基于多孔鋁膜結(jié)構(gòu)的表面等離子共振高折射率傳感器，其特征在于，所述多孔金屬鋁膜層的厚度為10-100nm。3.如權(quán)利要求1所述的一種基于多孔鋁膜結(jié)構(gòu)的表面等離子共振高折射率傳感器，其特征在于，所述石英波導(dǎo)的厚度為1-10_。4.如權(quán)利要求1所述的一種基于多孔鋁膜結(jié)構(gòu)的表面等離子共振高折射率傳感器，其特征在于，所述入射光源為入射波長(zhǎng)400-750nm的LED光源。5.如權(quán)利要求1所述的一種基于多孔鋁膜結(jié)構(gòu)的表面等離子共振高折射率傳感器，其特征在于，在所述多孔金屬鋁膜層上設(shè)置有直徑為100-200nm的孔，所述孔的排布周期為200nm_400nmo6.如權(quán)利要求1所述的一種基于多孔鋁膜結(jié)構(gòu)的表面等離子共振高折射率傳感器，其特征在于，所述多孔金屬鋁膜層的制備方法包括: 首先，在石英波導(dǎo)上表面旋涂光刻膠，； 其次，采用電子束光刻將二維周期圓孔圖樣直接刻寫到所述光刻膠上； 然后，用鍍膜機(jī)鍍上一層金屬鋁膜； 最后，去除光刻膠和附著于光刻膠上的圓形金屬鋁膜層，得到多孔金屬鋁膜層。7.一種利用如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述傳感器的傳感方法，其特征在于，該傳感方法包括步驟如下: 1)入射光源耦合進(jìn)所述石英波導(dǎo)中，由于全反射效應(yīng)，入射光在石英波導(dǎo)的束縛下傳輸； 2)入射光在到達(dá)多孔金屬鋁膜層后，入射光線經(jīng)石英波導(dǎo)耦合射出，并在所述多孔金屬鋁膜層的表面形成等離子共振效應(yīng)； 3)由于匹配條件的限制:不同入射光波長(zhǎng)下，光的耦合效率不同；在特定光波長(zhǎng)下耦合效率達(dá)到最大，形成光譜共振吸收峰；傳感器所處不同環(huán)境折射率下，共振光波長(zhǎng)隨著環(huán)境折射率的增大向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器所處環(huán)境折射率的測(cè)量。
【專利摘要】一種基于多孔鋁膜結(jié)構(gòu)的表面等離子共振高折射率傳感器，包括石英波導(dǎo)和設(shè)置在所述石英波導(dǎo)上表面設(shè)置的多孔金屬鋁膜層以及入射光源和探測(cè)器。本發(fā)明采用多孔金屬層結(jié)構(gòu)作為傳感結(jié)構(gòu)，顯著增強(qiáng)了表面等離子共振強(qiáng)度，極大提高傳感器的靈敏度。本發(fā)明所述多孔結(jié)構(gòu)形成微納傳感結(jié)構(gòu)，可同時(shí)應(yīng)用于高折射率和低折射率監(jiān)測(cè)的表面等離子共振生物傳感器。
【IPC分類】G01N21/552, G01N21/41
【公開號(hào)】CN105259141
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510732994
【發(fā)明人】劉冠秀, 倪桂全, 牛傳寧, 馮德軍
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)
【公開日】2016年1月20日
【申請(qǐng)日】2015年10月30日