[发明专利]一种基于金属-介质-金属纳米圆柱结构阵列完美吸收体的折射率传感器

说明书

本发明提供一种基于金属‑介质‑金属纳米圆柱结构阵列完美吸收体的折射率传感器，包括基底层和设置在基底层上的完美吸收体；完美吸收体包括金属薄膜层、介质薄膜层以及多个金属‑介质‑金属纳米圆柱结构；金属薄膜层设置在基底层上，介质薄膜层设置在金属薄膜层上，多个金属‑介质‑金属纳米圆柱结构设置在介质薄膜层上；每个金属‑介质‑金属纳米圆柱结构包括从下至上依次排布的金纳米层、介质隔离层、金纳米层。本发明将完美吸收体与金属‑介质‑金属共振结构相结合，实现超窄带宽的光学特性。本发明具有高灵敏度、高品质因数等优良性能，同时因为是微纳级别的小体积结构，克服了传统光学折射率传感器通常存在的体积过大、应用范围有限等问题。

技术领域

本发明涉及微纳光学技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于金属-介质-金属纳米圆柱结构阵列完美吸收体的折射率传感器。

背景技术

局域表面等离激元是亚波长金属结构中自由电子与入射光在金属纳米结构中相互耦合形成的一种非传播型表面波。当电磁波照射到金属表面时，金属中的自由电子会随入射波的振荡而集体振荡，在某个特定频率下，这种集体振荡幅度达到最大值，在金属微纳结构中会形成局域等离激元共振，可以在极小的体积中产生极大的场。这一现象在许多领域都显现出了广阔的应用前景，比如改善荧光、拉曼散射、单分子检测等。此外，小体积中局部场的强增强还可用于观察局域等离激元对周围介电常数变化的响应，并且等离激元对纳米结构的尺寸、形状以及它们周围的环境高度敏感，因此这一点也被广泛运用在传感上。

迄今为止，人们已经针对贵金属微纳结构表面等离激元在可见光范围以及中红外波段内的光谱性质展开了一系列的研究，其表现出窄带宽的光谱特性。多种微纳结构已被研究以优化光谱特性，例如纳米球、纳米壳、纳米星等。通过对金属微纳结构的合理设计从而有效调节其光谱特性仍然是目前研究的重点。为了优化光谱特性，有人提出了完美吸收体超材料的概念。完美吸收体的基本思想主要有两点：通过调控超材料与自由空间的阻抗匹配使其反射率最小化，同时通过最大化超材料损耗以消除透射率。当超材料周围环境的折射率发生改变时，超材料的阻抗与周围环境的阻抗发生失配，使得结构的反射率发生变化，因此可以提供高对比度的光学信号，有利于对折射率变化的感知。完美吸收体的提出使得人们对于传感的研究更进一步。

发明内容

根据上述提出传统光学折射率传感器通常存在的体积过大、应用范围有限等问题，提供一种基于金属-介质-金属纳米圆柱结构阵列完美吸收体的折射率传感器。本发明将完美吸收体与金属-介质-金属(MIM)共振结构相结合，实现了超窄带宽的优异光学特性。基于窄带的光谱特性，将该完美吸收体结构应用于传感检测方面，为食品安全检测、即时医疗诊断、生物安全、药物筛检等提供一种新的技术方法。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于金属-介质-金属纳米圆柱结构阵列完美吸收体的折射率传感器，包括：基底层和设置在基底层上的完美吸收体；

所述完美吸收体包括金属薄膜层、介质薄膜层以及多个金属-介质-金属纳米圆柱结构；金属薄膜层设置在所述基底层上，介质薄膜层设置在金属薄膜层上，多个金属-介质-金属纳米圆柱结构设置在介质薄膜层上；每个金属-介质-金属纳米圆柱结构包括从下至上依次排布的第一金纳米层、介质隔离层、第二金纳米层。

进一步地，多个所述金属-介质-金属纳米圆柱结构在金属薄膜层上呈x和y方向周期性排列。

进一步地，所述基底层的材料包括玻璃，基底层的厚度根据折射率传感器的工作要求设定。

进一步地，所述金属薄膜层的材料包括贵金属，金属薄膜层的厚度范围为50-150nm。

进一步地，所述介质薄膜层的材料包括氟化镁、二氧化硅、氧化铝，介质薄膜层的厚度范围为25-100nm。

进一步地，所述第一金纳米层和所述第二金纳米层的材料均包括金、银、铝贵金属，所述第一金纳米层和所述第二金纳米层的厚度范围均为50-100nm，直径的范围均为80-120nm。