[发明专利]基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器

说明书

本发明属于等离激元传感领域，公开了基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器。本发明由单层石墨烯和均匀分布的非对称金纳米天线阵列构成，主要应用在近红外和中远红外两个波段，用于灵敏的探测周围环境折射率的改变。克服了传统的等离激元传感器只能工作在单一波段或者波段较窄的问题，同时利用非对称金纳米天线阵列有利于增加共振Q值提高传感器灵敏度。本发明具有重要的工程实用意义，在医疗健康、安全、环境质量的监控等领域具有广阔的推广应用前景。

技术领域

本发明属于等离激元传感领域，具体是基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器，是应用在近红外和中远红外波段的光学传感器，用于灵敏的探测周围环境折射率的改变。

背景技术

金属表面等离激元已经在光子操纵、热辐射调控、非线性光学和生物传感等方面有非常大的应用，表面等离激元具备亚波长空间局域能力，对周围媒质的变化很敏感，可以实现免标记、高灵敏度、实时检测、无损伤传感。

传统的表面等离激元传感器主要基于金属纳米结构，工作在可见光或者近红外波段。在太赫兹和中远红外波段，石墨烯可以支持表面等离激元极化模式产生较强的光与石墨烯的相互作用。Tobias Wenger等人在(“High-sensitivity plasmonic refractiveindex sensing using graphene”,IOP Publishing 2D Mater.4(2017)025103)文献中实现基于石墨烯表面等离激元的微纳传感，同时改变石墨烯的掺杂浓度可以调节石墨烯等离子体频率。但是在可见光和近红外波段，石墨烯却表现为一层吸收损耗介质，并不能展现出光谱选择性。

针对传统的等离激元传感器只能工作在单一波段或者波段较窄的问题，本发明采用不对称金属纳米天线阵列/石墨烯混合结构，使得可以同时工作在近红外与中远红外波段，同时利用非对称金纳米天线阵列有利于增加共振Q值提高传感器灵敏度。

由于在生物化学传感领域，大多数的技术应用和传统光学器件的受限光波波段主要集中在红外区域，例如2～20微米主要用来做化学材料分子表征、超灵敏生物指纹探测，1～3微米、3～5微米和8～12微米波段主要用在热成像方面，本发明设计的双波段传感器将对医疗健康、安全、环境质量的监控起到很大的帮助。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器，所述双波段等离激元传感器由在工作波段对光波透明的基底、在基底上平铺的单层石墨烯和均匀分布的非对称金纳米天线阵列及非对称金纳米天线阵列上方的介质层构成；

所述双波段等离激元传感器的等效外界环境有效折射率范围为1～2；

所述非对称金纳米天线阵列的基本结构单元是金纳米条对二聚体，每个金纳米条对二聚体由两个厚度相同非对称的金纳米条平行排列而成；

所述金纳米条对二聚体结构尺寸均小于工作波段的光波波长；

所述透明基底的材料是玻璃；

所述非对称金纳米天线阵列周期范围为200～3000nm；

所述金纳米条的长度范围为50～3000nm,宽度范围为50nm～1500nm,厚度范围为20nm～200nm；

所述金纳米条对二聚体的非对称性在于两个金纳米条的结构尺寸不完全相同，即两个金纳米条的结构尺寸满足如下三个条件之一：(1)所述两个非对称金纳米条的长度不相同，(2)所述两个非对称金纳米条的宽度不相同，(3)所述两个非对称金纳米条结构尺寸满足(1)(2)的任意组合；

所述两个金纳米条之间的距离范围为50nm～1500nm；

所述平铺的单层石墨烯费米能级范围为0.2～0.7；