[发明专利]一种等离子体传感器的设计方法及其制备的传感器

说明书

本发明公开的一种等离子体传感器的设计方法及其制备的传感器，先利用软件仿真计算获取双曲超材料的金属填充比ρ和金属‑电介质层的对数N_bi的最佳组合参数，再将双曲超材料以最佳组合参数的多层膜结构与Kretschmann结构或侧边抛磨光纤的抛磨面结合制成对应的等离子体传感器。与现有技术相比，其有效果在于：本发明提供的设计方法能够通过对双曲超材料的金属填充比(ρ)和金属‑电介质层的对数(N_bi)的调控，控制传感器的性能参数，实现性能参数的可控性；用该方法制备的等离子体传感器具有波长可调节、高灵敏度、高品质因素(FOM)、制造简单等优点，远胜于现在已有的等离子体传感器。

技术领域

本发明涉及等离子体传感器的制备技术领域，更具体地，涉及一种等离子体传感器的设计及其传感器。

背景技术

近年来，由于等离子体传感器具有灵敏度高、实时性好、无标签检测等优点，在医学检测、食品安全、药物筛选、环境检测等领域都得到了重要的研究。对于给定的入射角，当入射光波和等离子体波的波矢匹配时，在共振波长处会发生等离子体共振，共振波长对周围折射率(SRI)的变化非常敏感。然而，在对于超低浓度或分子量小于500Da的小分子检测的方面还面临着挑战。为了解决该问题，许多提高传感器性能的方法被提出，例如，在金属层上添加一个具有高折射率的介质层(例如硅、ITO、二硫化钨、二硫化钼、二硒化钼、氧化石墨烯等等)，或是对使用金属做出周期性的结构，亦或是改变光纤的波导结构，这些方法的本质都是通过调节色散或耦合的模式，从而将共振条件推到更高的灵敏度范围。然而，天然材料的可调色散范围有限，超材料作为一种新型的人工材料，可以通过调节介电常数和磁导率来任意改变材料的色散，从而产生一些具有独特性能的人工材料。其中，双曲超材料是超材料中的一个重要分支，它具有特殊的双曲色散关系：介电常数张量的平行分量和垂直分量正负相反。

由于双曲超材料的双曲色散特性，人们通过改变其结构单元的尺寸和排列来控制双曲超材料内等离子体激元的激发强度和方向，从而提供了一种性能优良的新型传感方案。特别是近年来，基于双曲超材料的等离子体传感器在提高等离子体传感器性能方面取得了显著的进展，例如由金属衍射光栅耦合多层膜型双曲超材料构建的生物传感器可以有效地将灵敏度(S＝共振波长漂移量/折射率变化量)和品质因数(FOM＝S/半高宽)提高到很高的水平，分别为30000nm/RIU和590RIU-1。然而，这里采用的是光栅耦合结构，需要使用到蚀刻与镀多层膜两种工艺，并且制作出的光栅精度有限，由于表面是光栅结构，生物分子会进入光栅结构中，难以清除，不利于传感器的重复使用。另外，也有采用Kretschmann结构与纳米棒型双曲超材料相结合的传感器也可以实现类似的改进，但纳米棒型的双曲超材料使用的是多孔阳极氧化铝模板中电化学生长的方法，需要制作多层的衬底，且制作原理是利用化学方法，因此制作的精度较难控制。

因此，目前关于双曲超材料应用于等离子体传感器中还面临较多问题，因此，我们提出了一种基于双曲超材料工程的等离子传感器的设计和制备方法。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种等离子体传感器的设计和制备方法，避免因为采用光栅耦合结构，精度受限，且不能重复使用，或因为双曲超材料以纳米棒状结构结合，存在的制作工艺复杂，精度控制困难的问题。

本发明的另一个目的在于，提供一种采用上述方法制备的等离子传感器，制备简单，灵敏度高。

本发明采取的技术方案是:

一种等离子体传感器的设计方法，先利用软件仿真计算获取双曲超材料的金属填充比ρ和金属-电介质层的对数N_bi的最佳组合参数，再将双曲超材料以最佳组合参数的多层膜结构与Kretschmann结构或侧边抛磨光纤的抛磨面结合制成对应的等离子体传感器。