[发明专利]一种双层光子晶体平板生物传感器及其设计方法

说明书

本发明提供一种双层光子晶体平板生物传感器及其设计方法，包括至上而下依次连接的第一圆孔型二维光子晶体平板层、第二圆孔型二维光子晶体平板层和衬底层；第一圆孔型二维光子晶体平板层上设有多个第一空气孔；第二圆孔型二维光子晶体平板层上设有多个第二空气孔；第一空气孔的直径大于第二空气孔的直径；第一空气孔与第二空气孔分别以相同的晶格常数a排列。本发明首次将不同尺寸的孔阵列在同一块二维光子晶体平板模块上实现耦合，利用严格耦合波分析法建立模型，通过设计不同晶格常数和光子晶体平板厚度组合，得到高衍射效率和高灵敏度的结构参数，结构简单，能快速，实时，可重复地检测被测物体的浓度变化。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种双层光子晶体平板生物传感器及其设计方法。

背景技术

多孔硅是一种优良的生物材料，其比表面积大、生物亲和性好、能形成多种光子晶体结构，在生物传感领域具有很好的应用。目前已报道的各种多孔硅生物传感器，主要有基于折射率变化和荧光变化的两类传感器，其中基于折射率变化的生物传感器具有免标记的优点。结合多孔硅光子晶体技术，基于折射率变化检测的生物传感器可以获得很高的检测灵敏度。多孔硅制备工艺简单，通过改变电化学腐蚀的条件，如硅片的类型、掺杂，电解液的配比，腐蚀电流密度等，就能够控制多孔硅的孔洞大小、孔隙率和多孔硅层的厚度。多孔硅大的比表面积可以吸附和偶联大量的化学和生物分子。这些优势使得多孔硅成为高灵敏度免标记的光学生物化学传感器的基底材料。生物分子和多孔硅结合可以引起不同结构多孔硅的有效折射率的变化，通过观察反射光谱的变化如单层多孔硅干涉峰的移动，布拉格反射镜禁带中心位置的移动，微腔的缺陷态位置的移动，就能检测到生物化学分子。(如:Y.Zhi,X.C.Yu,Q.Gong,etal.,Single nanoparticle detection using opticalmicrocavities,Adv.Mater.29(12)(2017).)。但是，这些结构生物传感器存在一个共同的问题：这些生物传感器的检测范围(LOD，最低检测限)和灵敏度受到这些光子晶体结构中具有高折射率的介电层的小孔径和复杂孔隙图案以及物体的均匀性的限制。近年来，基于光子晶体平板结构的生物传感器得到广泛关注。

光子晶体又称光子带隙材料，是由两种或多种介电材料所构成的、介电常数在空间周期性变化的一种人工设计的新材料。最常见的应用一维光子晶体结构的例子是布拉格光栅，如今被广泛的应用于垂直腔表面激光发射器上的分布式发射器上。一维光子晶体还被大量的用作透镜、棱镜等光学元件的抗反射涂层，以降低其表面的反射率，达到改善这些光学元件的光学品质的目的。二维光子晶体可以具有相对较复杂的各种结构，因为其在空间两个方向上具有周期性的介电常数分布，而在另一个方向上均匀分布。二维光子晶体一般结构主要分成两种类型，一种是二维圆柱型光子晶体，一种是二维圆孔型光子晶体。二维圆柱型光子晶体一般是由电介质圆柱周期性地排列在空气中，其晶格呈正方形结构；二维圆孔型光子晶体是由刻蚀圆孔周期性的分布在介质基底内，其晶格通常呈三角形结构。类似于半导体材料具有电子能带，光子晶体也具有导带和禁带光子带隙。光子晶体的光子带隙源于空间周期性分布的介电常数对入射光的调制作用。波长落入光子带隙内的光被光子晶体全部反射回去而不能透过光子晶体。利用光子晶体的光子带隙，能够实现对光的传输过程进行有效人为控制，因而在集成光子器件、光通讯、快速光信息处理、传感技术和自动控制等领域具有非常广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种结构简单、成本较低和较高灵敏度的基于多孔硅的双层光子晶体平板生物传感器及其设计方法，本发明首次将不同尺寸的孔阵列在同一块二维光子晶体平板模块上实现耦合，利用双层光子晶体耦合结构来增强生物传感器的反射效率。在此基础上，可以通过微注入技术注入被检测物实现双层光子晶体平板空气孔内折射率的变化。当光子晶体平板空气孔内折射率发生变化时，反射光谱中共振峰峰值会相应的发生偏移，从而实现对不同折射率被检物质的感知和检测。

本发明的技术方案是：一种双层光子晶体平板生物传感器，包括至上而下依次连接的第一圆孔型二维光子晶体平板层、第二圆孔型二维光子晶体平板层和衬底层；