一種基于表面等離子體雙帶零反射的傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于表面等離子體雙帶零反射的傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 表面等離子體是由光和金屬表面自由電子的相互作用所引起的一種電磁波模式。 這種模式存在于金屬與介質(zhì)界面附近，其場(chǎng)強(qiáng)在界面處達(dá)到最大，且在界面兩側(cè)均沿垂直 于界面的方向呈指數(shù)式衰減。
[0003] 在表面等離子體光子學(xué)中，金屬納米顆粒的光學(xué)特性是許多應(yīng)用的基礎(chǔ)，比如表 面增強(qiáng)譜、近場(chǎng)掃描光顯微鏡等。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，表面等離子體納米結(jié)構(gòu)的損耗是不可避免 的。人們一般采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)或利用增益材料來(lái)減少這種損耗。最初，推動(dòng)人們對(duì) 超穎材料（Metamaterials，MM)進(jìn)行研宄的動(dòng)力，是能實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率，這種負(fù)折射率是通過(guò) 構(gòu)建等效介電常數(shù)e (?)和等效磁導(dǎo)率y (?)能獨(dú)立表征的亞波長(zhǎng)復(fù)合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 同時(shí)，超穎材料能夠允許通過(guò)
^來(lái)調(diào)整阻抗，而這是天然材料無(wú)法獲得的特性。 這種設(shè)計(jì)折射率n(?)和阻抗Z(?)的方法為從微波到可見(jiàn)光實(shí)現(xiàn)電磁響應(yīng)，提供了前所 未有的機(jī)遇，這包括隱身、集線器、調(diào)制器及表面等離子體等技術(shù)。近幾年，超穎材料完美吸 收概念的提出，激發(fā)了一個(gè)可以將表面等離子體結(jié)構(gòu)中金屬損耗變成優(yōu)勢(shì)的新研宄領(lǐng)域。
[0004] 市場(chǎng)上的光吸收器遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用所需要的最佳黑體性能。人們尤其迫切期望能 得到微納尺度更有效的吸收器，這是因?yàn)橥昝牢掌髟谖⒓{尺度光連接中，對(duì)防止串?dāng)_能 起到非常重要的作用，同時(shí)，也可在傳感器、太陽(yáng)能光電池、超光譜影像、微測(cè)熱輻射計(jì)中得 到應(yīng)用，或者也可作為涂覆層用于阻止反射波。然而，目前在完美吸收（零反射）傳感器方 面的研宄報(bào)道甚少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于表面等離 子體雙帶零反射的傳感器，該傳感器主要是根據(jù)超穎材料通過(guò)阻抗配匹，將反射率減小到 最小的同時(shí)，將超穎材料的損耗最大化，以此來(lái)消除透射的思路進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種基于表面等離子體雙帶零反射的傳感器，該傳感器包括金屬平板以及設(shè)置在 金屬平板上的波導(dǎo)，所述的波導(dǎo)上設(shè)有光柵層，該光柵層包括多條呈周期性布設(shè)在波導(dǎo)上 的金屬光柵，所述的金屬光柵的周期為1000-1500nm，所述的波導(dǎo)的厚度為70-120nm ;
[0008] 工作時(shí)，外界平面電磁波垂直于金屬光柵周期方向由上部正入射進(jìn)傳感器中，此 時(shí)，平面電磁波的極化方向與金屬光柵周期方向平行，所述的金屬光柵與金屬平板相互激 發(fā)并產(chǎn)生反向環(huán)行電流，該環(huán)行電流產(chǎn)生磁共振，與入射平面電磁波的磁場(chǎng)產(chǎn)生相互作用， 并在金屬光柵與金屬平板之間建立局部電磁場(chǎng)能量，該局部電磁場(chǎng)能量被限制在波導(dǎo)中， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)零反射。
[0009] 所述的金屬平板為矩形金屬平板，并且所述的金屬光柵沿橫向呈周期性布設(shè)在波 導(dǎo)上。
[0010] 所述的金屬平板的厚度為lOOOnm。
[0011] 所述的金屬光柵的長(zhǎng)度為lOOnm，厚度為50nm〇
[0012] 所述的金屬光柵的周期為1200nm。
[0013] 所述的波導(dǎo)為硅波導(dǎo)。
[0014] 所述的娃波導(dǎo)的厚度為90nm〇
[0015] 所述的金屬平板采用金材質(zhì)制備而成。
[0016] 所述的金屬光柵采用銀材質(zhì)制備而成。
[0017] 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于表面等離子體雙帶零反射傳感器，完美吸收（零反射）只 發(fā)生在周圍介質(zhì)為某一特定折射率，當(dāng)周圍介質(zhì)的折射率發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致非完美吸收 (非零反射），基于這一特性，能非常靈敏地測(cè)量某一固定頻率條件下，反射譜強(qiáng)度的變化 情況。
[0018] 在實(shí)際應(yīng)用中，本發(fā)明傳感器的品質(zhì)因子，取決于硅波導(dǎo)及金屬光柵的幾何參數(shù) 和金屬光柵的周期，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，以空氣為參考媒介時(shí)，其品質(zhì)因素F0M*可達(dá)3084,而以水 為參考媒介時(shí)，其品質(zhì)因素F0M*可達(dá)25370,這也為表面等離子體傳感器的應(yīng)用提供了一 個(gè)可替換的方案。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，設(shè)計(jì)的完美吸收（零反射） 傳感器很靈活，通過(guò)阻抗匹配來(lái)獲得在特定周圍材料里的完美吸收（零反射），充分利用納 米結(jié)構(gòu)中金屬的損耗，并將表面等離子體中完美吸收（零反射）這一特殊物理現(xiàn)象與基本 的傳感原理相結(jié)合，開(kāi)創(chuàng)了表面等離子體傳感器應(yīng)用的一個(gè)新途徑，并將促進(jìn)新的納米生 物/化學(xué)傳感器的發(fā)展。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖2為仿真計(jì)算得到的本發(fā)明吸收譜隨金屬光柵的周期變化關(guān)系圖；
[0022] 圖3為仿真計(jì)算得到的本發(fā)明吸收譜隨硅波導(dǎo)厚度變化關(guān)系圖；
[0023] 圖4為計(jì)算所得本發(fā)明的反射譜與透射譜圖；
[0024] 圖5為金屬光柵周圍介質(zhì)分別為空氣及水時(shí)數(shù)值計(jì)算得到的吸收譜（a)和反射譜 (b)圖；
[0025] 圖6為本發(fā)明品質(zhì)因素F0M#隨入射波長(zhǎng)變化關(guān)系圖；
[0026] 圖7為仿真計(jì)算得到的以水為參考介質(zhì)時(shí)本發(fā)明的反射譜圖；
[0027] 圖8為本發(fā)明以水為參考介質(zhì)時(shí)計(jì)算得到的品質(zhì)因素FOMtl入射波長(zhǎng)的變化關(guān) 系圖；
[0028] 圖中標(biāo)記說(shuō)明：
[0029] 1 一金屬平板、2-波導(dǎo)、3-金屬光柵、4 一平面電磁波。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0031] 實(shí)施例1 :
[0032] 如圖1所示，本實(shí)施例基于表面等離子體雙帶零反射的傳感器，包括金屬平板1以 及設(shè)置在金屬平板1上的波導(dǎo)2,波導(dǎo)2上設(shè)有光柵層，該光柵層包括多條呈周期性布設(shè)在 波導(dǎo)2上的金屬光柵3,工作時(shí)，外界平面電磁波4垂直于金屬光柵3周期方向由上部正入 射進(jìn)傳感器中，此時(shí)，平面電磁波4的極化方向與金屬光柵3周期方向平行，金屬光柵3與 金屬平板1相互激發(fā)并產(chǎn)生反向環(huán)行電流，該環(huán)行電流產(chǎn)生磁共振，與入射平面電磁波4的 磁場(chǎng)產(chǎn)生相互作用，并在金屬光柵3與金屬平板1之間建立局部電磁場(chǎng)能量，該局部電磁場(chǎng) 能量被限制在波導(dǎo)2中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)零反射。
[0033] 其中，金屬平板1為矩形金屬平板，采用金材質(zhì)制備而成，并且金屬光柵3沿橫向 呈周期性布設(shè)在波導(dǎo)2上，波導(dǎo)2為硅波導(dǎo)，金屬光柵3采用銀材質(zhì)制備而成。
[0034] 下面的結(jié)果是用時(shí)域有限差分方法計(jì)算得到的。計(jì)算區(qū)域包含單個(gè)周期（圖1中 虛線框所包圍的區(qū)域），沿著周期方向利用了周期邊界條件，垂直周期方向上采用了完美匹 配吸收邊界條件，平面電磁波垂直于金屬光柵3周期方向從上面正入射進(jìn)結(jié)構(gòu)，平面電磁 波的極化方向沿著金屬光柵3的周期方向。
[0035] 仿真計(jì)算得到的吸收譜（周圍背景材料為空氣）隨金屬光柵3周期及硅波導(dǎo)厚度 變化的關(guān)系分別如圖2和3所示。
[0036] 圖2仿真計(jì)算中，金屬光柵3長(zhǎng)度為100nm，厚度為50nm，周期變化范圍為 1000-1500nm，以10nm為間隔，娃波導(dǎo)厚度為90nm，金屬平板1的厚度為lOOOnm，入射平面 電磁波的波長(zhǎng)范圍是1350nm到2150nm。從圖2中可以看出，吸收譜隨著金屬光柵3的周期 變化而變化，并且當(dāng)金屬光柵3的周期為1300nm時(shí)，在波長(zhǎng)1565nm和1998nm分別得到吸 收率達(dá)99. 93%和99. 86%，即得到近似雙帶完美吸收（零反射）。
[0037] 圖3是仿真計(jì)算得到的吸收譜（周圍背景材料為空氣）隨硅波導(dǎo)厚度變化的關(guān)系 圖。仿真計(jì)算中，金屬光柵3長(zhǎng)度為lOOnm，厚度為50nm，金屬光柵3的周期為1200nm，娃波 導(dǎo)厚度變化范圍為70-120nm，以10nm為間隔，金屬平板1的厚度為lOOOnm。從圖3中可以看 出，當(dāng)硅波導(dǎo)厚度為8〇11111時(shí)，在波長(zhǎng)146〇11111和188611111吸收率分別達(dá)到99.5%和99.99% ; 當(dāng)硅波導(dǎo)厚度為9〇11111時(shí)，在波長(zhǎng)151911111和195711111能分別得到高達(dá)99.2%和99.88%的吸 收率。
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