[发明专利]一种中红外石墨烯等离子激元生化传感器

权利要求书

1.一种中红外石墨烯等离子激元生化传感器，其特征在于，包括中红外的宽谱光源、第一中红外透镜、石墨烯等离子激元传感单元和第二中红外透镜；

所述石墨烯等离子激元传感单元包括掺杂硅衬底、分别布设在所述掺杂硅衬底两端的第一光栅耦合区和第二光栅耦合区、布设在所述掺杂硅衬底中间的传感区，以及覆盖在所述第一光栅耦合区、传感区和第二光栅耦合区上方的石墨烯层；

所述中红外宽谱光源发出的中红外光波通过所述第一中红外透镜聚焦在所述第一光栅耦合区，与石墨烯等离子激元耦合，产生中红外石墨烯等离子激元；所述中红外石墨烯等离子激元通过所述石墨烯层到达所述传感区，与放置在所述传感区上的生物样品反复反应；再经由所述石墨烯层传至所述第二光栅耦合区，并散射到远场；由所述第二中红外透镜聚焦到红外光谱仪中进行光谱测量分析；

所述传感区为光学微腔结构，包括横向并排布设在所述掺杂硅衬底上的两个相同的布拉格反射器；

每个所述布拉格反射器包括M个空气波导层和掺杂硅波导层，并按先空气波导层后掺杂硅波导层的顺序沿横向交替排列，8≥M≥4；

两个所述布拉格反射器中间通过一个空气凹槽连接，形成一个光学谐振腔，两个所述布拉格反射器使中红外石墨烯等离子激元高度局域在所述空气凹槽中，与填充在所述空气凹槽的生物样品反复发生反应。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一光栅耦合区和第二光栅耦合区的光栅周期长度Λ为：

Λ＝λ₀/n_eff；

其中，λ₀是自由空间中红外光波长；n_eff是中红外石墨烯等离子激元的有效折射率。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一光栅耦合区和第二光栅耦合区的光栅是通过在所述掺杂硅衬底上刻蚀线形凹槽实现；

所述布拉格反射器的空气波导层以及所述空气凹槽是通过在所述掺杂硅衬底上刻蚀线形双布拉格发射结构凹槽实现。

4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述布拉格反射器的空气波导层的横向长度d1与掺杂硅波导层的横向长度d2由布拉格条件决定，具体关系为：

d1×Real(n_eff1)+d2×Real(n_eff2)＝mλ_b/2；

其中，λ_b是布拉格的中心波长；m是布拉格的阶数；Real(n_eff1)为中红外石墨烯等离子激元在空气波导层的有效折射率；Real(n_eff2)为中红外石墨烯等离子激元在掺杂硅波导层的有效折射率。

5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，连接两个所述布拉格反射器的空气凹槽的横向长度L为：

L＝Λr/[n_eff·2]；

其中，Λr为共振波长；n_eff是共振波长波导的有效折射率。

6.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述石墨烯等离子激元传感单元还包括介质层，所述介质层设置在所述石墨烯层与所述掺杂硅衬底之间，形成场效应管结构；

所述石墨烯层上设有金属电极，所述金属电极接地；

当所述掺杂硅衬底接电时，场效应管结构导通，为所述石墨烯层施加电压；

调节施加在所述石墨烯层上电压的大小，调节石墨烯的费米能级大小，石墨烯的费米能级大小改变共振频谱发生移动。

7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述介质层为Al₂O₃。