[发明专利]一种基于黑磷-平面波导的表面等离激元共振传感器

说明书

一种基于黑磷‑平面波导的表面等离激元共振传感器，从上至下包括透明锗棱镜、上氟化钙层、上石英晶体、黑磷层、下氟化钙层、下石英晶体和传感层；下氟化钙层、下石英晶体和传感层构成平面介质波导；TM偏振光入射棱镜，穿过上氟化钙层、上石英晶体与黑磷层后，进入下氟化钙层，在满足波矢匹配条件下，入射光转换成黑磷层上、下界面处的表面等离激元模，由此产生SPR共振；表面等离激元模和平面介质波导膜的有效折射率相同或者接近，并且发生电磁耦合，在反射曲线中形成Fano共振低谷。本发明与传统的SPR传感器相比，黑磷与平面波导的引入可提高成像灵敏度。

技术领域

本发明涉及一种共振传感器，尤其涉及一种基于黑磷-平面波导的表面等离激元共振传感器。

背景技术

表面等离激元共振（SPR）是束缚在金属-介质界面的自由电子与电磁波耦合形成的集体振荡。利用基于SPR的生物传感技术能实时监测液体或气体折射率的变化。SPR传感分析具有较精确的探测能力、非标记分析、稳定可靠以及样品需求量小等优势，可用于毒性气体、化学生物分子与活体细胞分析与检测。

传统的SPR传感器存在能量损耗高、Q因子与灵敏度较低等不足之处（S. Hayashi,D.V. Nesterenko, and Z. Sekkat, Appl. Phys. Express 8, 022201 (2015)），（G.Zheng, X. Zou, Y. Chen, L. Xu, and W. Rao, Opt Mater 66,171 (2017)），（S.Hayashi, D. V. Nesterenko, A. Rahmouni, and Z. SekkatAppl. Phys. Lett. 108,051101 (2016)）。基于黑磷/平面波导的红外SPR传感器在继承传统SPR传感器的可靠、样品无标记、实时检测等优点之外，由于平面波导模与黑磷表面等离激元模的强电磁耦合而致使Fano效应的发生，使其具有超高的成像灵敏度与Q因子。另外，利用黑磷表面电导率面内各向异性的特点（Z. Liu and K. Aydin, Nano Lett. 16, 3457 (2016)），可实现对传感器成像灵敏度的调节与控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种灵敏度高的基于黑磷-平面波导的表面等离激元共振传感器。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种基于黑磷-平面波导的表面等离激元共振传感器，从上至下包括透明锗棱镜、上氟化钙层、上石英晶体、黑磷层、下氟化钙层、下石英晶体和传感层；所述下氟化钙层、下石英晶体和传感层构成平面介质波导（PWG）；TM偏振光入射棱镜，穿过上氟化钙层、上石英晶体与黑磷层后，进入下氟化钙层，在满足波矢匹配条件下，入射光转换成黑磷层上、下界面处的表面等离激元（SPP）模，由此产生SPR共振；所述表面等离激元模和平面介质波导膜的有效折射率相同或者接近，并且发生电磁耦合，在反射曲线中形成Fano共振低谷。

上述的基于黑磷-平面波导的表面等离激元共振传感器，优选的，所述透明锗棱镜的厚度在2-5 cm之间，透明锗棱镜的剖面呈半球形。

上述的基于黑磷-平面波导的表面等离激元共振传感器，优选的，所述上氟化钙层的厚度为8-12μm；所述上石英晶体的厚度为6-15μm；所述黑磷层的厚度为0.53×10^-3-5.3×10^-3μm。

上述的基于黑磷-平面波导的表面等离激元共振传感器，优选的，所述下氟化钙层、下石英晶体层和传感层构成平面介质波导；所述下氟化钙层的厚度为25-35μm；所述下石英晶体层的厚度为8-12μm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：（1）本发明与传统的SPR传感器相比，黑磷与平面波导的引入可提高成像灵敏度。（2）本发明利用黑磷表面电导率面内各向异性，通过旋转传感器能调控成像灵敏度。（3）本发明通过对各介质层厚度以及黑磷层数的调节，能调控检测气体的灵敏度，经优化后的传感器具有成像灵敏度高、Q因子高、检测速度快等优点。

附图说明