[发明专利]磁光等离子生物传感器

说明书

技术领域

本发明属于光学传感领域，特别涉及磁光表面等离子共振技术。

背景技术

表面等离子共振是在金属与介质表面一种电子与等离子集体震荡的效应。由于在金属与介质的界面处有大的电场增强以及场的局域性，使得其广泛应用于无标识生物传感，化学传感等。但是由于金的大的损耗，限制了基于此效应器件的分辨率。传统的表面等离子传感器在650nm激光波长处的品质因子只有54RIU^-1(折射率单位)，无法应用于单分子生物检测。

磁光表面等离子共振是利用磁场来调制表面等离子效应，从而使传感器得到更高的传感性能。基于铁磁金属的磁光表面等离子传感器，如铁、镍、钴，已被广泛提出，且有效地提高了传感器的性能。但是由于铁磁金属本身大的损耗，使得器件的分辨率不能进一步的提高。

基于金属/绝缘体/金属的三明治结构，由于能在中间介质层形成波导模式以及在外金属层形成表面等离子模式，能有效地将光限制在亚波长量级，在光学领域得到广泛应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有高品质因子的磁光等离子生物传感器。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，磁光等离子生物传感器，其特征在于，包括二氧化硅衬底和金层，在二氧化硅衬底上，在衬底和金层之间，至衬底至金层方向依次设置有：氮化钛层、二氧化硅层、钇铁石榴石层、掺铈钇铁石榴石层。

各层厚度为：氮化钛层44nm、二氧化硅层15nm、钇铁石榴石层52nm、掺铈钇铁石榴石层48nm、金层10nm。

本发明提出了一种新的磁光表面等离子生物传感器的结构设计，氮化钛/二氧化硅/钇铁石榴石/掺铈钇铁石榴石/金，其中二氧化硅，钇铁石榴石，掺铈钇铁石榴石是介质层，氮化钛和金分别是两侧金属层。三层磁光介质层的设计有效地提高了磁光层的非互易相移，从而得到更大的磁场对器件的调制能力。同时利用金属/介质/金属结构中的波导模式与表面等离子共振模式的耦合效应的测试方法，极大地提高了器件的品质因子，实验制备得到的品质因子相比表面等离子传感器在650nm波长处的理论值提高了17.8倍。

与现有技术相比，本传感器的品质因子拥有接近一个数量级的提高，且器件的材料更加稳定，不易氧化，可以工作在恶劣的环境中。

现有的测试方法都是基于表面等离子共振模式的增强，而本发明是基于波导模式与表面等离子共振模式的耦合与横向磁光克尔效应结合的方法来传感。相比单个表面等离子共振模式，多模式耦合拥有更强的场增强，更窄的半高宽，从而有更高的品质因子。

综上所述，本发明的有益效果是，结构新颖，品质因子高，材料稳定，不易氧化，结构简单，成本低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的器件工作状态示意图。

图3为本发明的器件工作原理图。

图4为结构优化等高图。

图5为器件实验传感性能曲线图。

图6为本发明发器件实验得到的品质因子曲线图。

具体实施方式

参见图1、2。

本发明的磁光等离子生物传感器选用二氧化硅棱镜，在二氧化硅基底上用激光脉冲沉积得到氮化钛/二氧化硅/钇铁石榴石/掺铈钇铁石榴石/金的多层薄膜器件。

本发明设定衬底和金层之间的各层厚度为：氮化钛44nm、二氧化硅15nm、钇铁石榴石52nm、掺铈钇铁石榴石48nm、金10nm。在650nm波长入射光处有39600RIU^-1大小的理论品质因子。在金的厚度很厚的时候波导模式与表面等离子模式无法耦合在一起，所以品质因子会比较低。当金的厚度减薄到10nm，此时，两个模式强耦合到一块，形成法诺共振线型(一种非对称的线型)，减小了半高宽，有效地提高了品质因子，再结合磁光横向克尔效应，就能极大地提高器件的品质因子。此处定义横向克尔效应(TMOKE)为：

其中，R(H±)分别为加正负磁场得到的反射率角度谱，磁场方向垂直于入射平面。定义品质因子(FOM)为：

其中，S是表面敏感度定义为单位折射率角度的变化率，Γ是谱线的半高宽。通过棱镜耦合的方式测得加相反方向磁场的反射角度谱，从而计算出品质因子。其中横向克尔谱线的半高宽就由法诺线型拟合得到，定义为：