基于MIM环形格点阵列的表面等离激元折射率传感器的制作方法

(一)技术领域

本发明涉及微纳光电子技术领域，具体涉及一种基于mim环形格点阵列的表面等离激元折射率传感器。

(二)

背景技术：

表面等离子激元(spps，surfaceplasmonpolaritons)是金属表面自由电子和光子相互耦合而形成的一种沿介质—金属表面传播的倏逝波。是具有相同共振频率的光波与金属中的自由电子之间相互作用产生的一种集体振荡。随着纳米技术的逐渐成熟和表面等离子激元理论的逐渐完善，表面等离子体光子学成为了纳米光子学的一门重要学科，其已经进入了高速发展时期，掀起了人们对利用表面等离子激元制备纳米尺寸光学器件的关注。随着研究工作的不断深入，科学家们将把光电子器件细分出多个分支点，其在性能器件上的分类越来越多，如传感器、光放大器、调制器和滤波器等，在各领域中发挥着越来越重要作用。

传统的由单个金属纳米颗粒所支持的局域型表面等离激元共振(lspr)和由金属-电介质界面所支持的传播型表面等离子体共振(spr)均存在场强增强有限和品质因子较低的问题，导致在应用中性能不够理想。很多人关注的传统的局域表面等离子体共振(lsprs)，当它们传导时，尽管传统的局域表面等离子体激元在邻近的粒子中相互耦合，但是强辐射阻尼严重加宽。因此，lsprs表现出低的品质因子q。然而由于相邻纳米粒子之间具有很强的耦合，因而由金属纳米粒子阵列支持的格点阵等离激元结合了理想的光子和等离子体特性，在抑制辐射损耗、高品质因数和大体积上显著场增强等方面有非常明显的优势。目前基于等离激元的传感器已成为许多课题组的研究对象，主要因为其具有尺寸小巧、功耗低、易于集成等优点，微纳传感领域有很高的应用潜质。

近年来，基于金属表面格点共振的研究被提出，其许多明显优势吸引着越来越多的研究人员去探索。本发明专利提出了一种基于mim环形格点阵列的表面等离激元折射率传感器。本发明提出的环形格点阵列的表面等离激元折射率传感器拥有极高的品质因数和折射率灵敏度，且入射光的角度可动态调谐。基于表面格点共振(slr)传感器具有体积小，探测精度高，易于集成等优良性能。由于其尖锐不对称的谱线形状，因而特别适合用在微纳传感的研究领域，其光谱的反射率可以从波峰急剧下降到波谷，这样的波长变化可以提供一个超窄的透射峰，且容易被识别和跟踪。

目前，基于mim结构表面格点的光学功能器件已经在理论研究方面取得了突破。例如，李光远等人(cn201910749239.1)设计的聚合物基底之上的mim矩形格点阵列光学器件，该结构具有简单，偏好非对称介点环境等优点。但并未具体涉及在折射率传感方面的具体应用，使得其应用会受到一定的限制。本发明提出了一种基于mim环形格点阵列的表面等离激元折射率传感器。

(三)

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种基于mim环形格点阵列的表面等离激元折射率传感器，在玻璃介质基底上对纳米格点阵列的结构进一步的研究，通过改变mim纳米颗粒阵列的尺寸、入射光的入射角度和外部折射率等参数，可以发现此结构能够有效的调控本发明的反射率、共振带宽、共振波长等性能。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的目的是设计一种基于mim环形格点阵列的表面等离激元折射率传感器，主要由bk-7玻璃介质基底和具有周期性的mim环形纳米柱阵列构成，纳米柱由上下两个尺寸相同的环形金柱及介于之间的环形介质硅柱组成，介质基底位于mim环形柱下方。由此结构沿x,y轴成相同的周期分布构成mim环形纳米柱阵列且每个周期单元高度相同。整个结构放置在折射率为n的介质环境中，入射光为x偏振光，反射光从金属纳米颗粒阵列上方射出。

上述方案中，环形金属柱的材料为金。

上述方案中，上述方案中,环形金属柱的高度符合工作条件即可,为了获得良好滤波效果,环形金属柱高度度为120nm～160nm。

上述方案中，环形介质柱的材料为硅，环形介质柱的高度符合工作条件即可。

上述方案中，环形金属柱与环形介质柱的外环直径w为180nm，内环直径d为30nm～60nm。

上述方案中，基底材料选用折射率为1.52的bk-7玻璃材料，其厚度p为300nm，宽度t为500nm。

上述方案中，入射光为x偏振光，其入射角度θ为0°～5°。

上述方案中，外部折射率n的变化范围为1～1.5。

(四)附图说明

图1为本发明的单个单元结构的二维结构示意图。

图2为本发明的多个周期阵列结构的三维结构示意图。

图3为本发明的入射角θ变化时的反射率曲线图。

图4为本发明的内环直径d变化时的反射率曲线图。

图5为本发明的金属块厚度hm变化时的反射率曲线图。

图6为本发明的外部折射率n变化时的反射率曲线图。

(五)具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

基于mim环形格点阵列的表面等离激元折射率传感器，其单个周期单元结构的二维平面图如图1所示，由上下对称的环形金属纳米柱(1，3)、环形介质硅纳米柱(2)、bk-7玻璃基底(4)构成。

金属纳米柱可以采用贵金属材料制成，如金、银、铜等金属材料，但为了能够获得更好的传感性能，本发明的金属膜的材料为金。

本发明的金属膜的材料为硅。

所有的环形金属柱与环形介质柱的外环直径w为180nm。

图3所示为在入射角为0°～5°与反射率的关系。可以看到在入射角小于2°时反射谱仅存在一个非对称的带宽极窄的共振峰。在入射角度大于2°时，共振峰劈裂形成左右两个共振峰，其中右侧共振峰明显表现为品质因子极高的fano线型，随着角度的增大左侧共振峰带宽无明显变化，右侧共振峰带宽逐渐变宽。

图4所示为保持环形外径w＝180nm，内径d分别30nm、40nm、50nm、60nm时的反射光谱图。从图4中我们可以看出，随着d的增加共振峰强度明显变低，并且反射率变得平缓。

图5所示为保持环形纳米柱外径w＝180nm，内径d＝30nm不变，改变环形金属纳米柱高度hm分别120nm、130nm、140nm、150nm、160nm时的反射光谱图。从图5可以看出，随着环形金属纳米柱的高度增大，使得环形金属柱之间的格点共振效应逐渐增强，最终导致共振峰逐渐增强，带宽变窄，品质因子逐渐变高。

图6所示为保持为保持环形纳米柱w＝180nm，d＝30nm，hm＝160nm不变，随着外部介质折射率分别为1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5。由图6反射谱线的变化，我们可以看到存在左右两个共振峰，随着折射率的增加，左侧共振峰强度逐渐增大，带宽变窄。右侧共振峰强度逐渐降低，带宽变宽。重要的是两组共振峰均呈线性关系发生红移。由此，提出一种在折射率为1～1.5之间能够高灵敏度测量折射率变化的折射率传感器。

本发明的mim环形结构折射率传感器工作在可见光及近红外频段，具有极高的传感灵敏度，且具有品质因子极高的特点。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。