[发明专利]一种LSPR多波长窄带可调谐传感器

说明书

一种LSPR多波长窄带可调谐传感器，属于微纳光电子器件。在硅衬底上覆盖一层T₂＝1600nm的SiO₂，在SiO₂上覆盖一层厚度为T₁＝2200nm的氧化铝。将制备的石墨烯固定在Al₂O₃上，其上E字形金纳米颗粒周期排列。其周期P为1500nm，纳米颗粒长度和宽度t₁＝600nm，t₂＝120nm，t₃＝440nm，厚度h＝30nm。本发明利用Au纳米颗粒有序阵列在非对称介质环境下与平板波导的耦合，产生Fano效应，得到多波长窄带反射谱。通过施加偏置电压或化学掺杂来改变石墨烯的费米能级，进而改变它的电导率，从而实现光谱的动态可调谐。

技术领域

本发明属于微纳光电子器件。

背景技术

21世纪人类已进入以光通信和信息网络为主要特征的信息时代，与信息相关的光通信、光电子、光传感、光集成等各种技术正以空前的速度和规模迅猛发展。

传感器(Sensor)是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。光学传感器是依据光学原理进行测量的，它有许多优点，如非接触和非破坏性测量、几乎不受干扰、高速传输以及可遥测、遥控等。局域表面等离激元共振(Localized surface plasmon resonance,LSPR)，入射光子频率和金属纳米粒子的振动频率相匹配，对光子能量产生很强的吸收作用，吸收率随着光子能量的减少呈指数衰减。LSPR对粒子结构和周围环境媒介等很多因素都非常敏感，[马文英,罗吉,许诚昕,凌味未,汪为民.金属纳米结构对光谱响应及折射率灵敏度的影响[J].光学学报,2012,32(12):261-266.]，体积小、易集成、可应用于近场传感检测，因此得到了广泛研究。

但是，金属颗粒振荡过程中，其自身具有吸光损耗，加之LSPs产生的局部高强度电场使得其辐射阻尼更加明显，从而能量衰减快，共振峰谱线被展宽，因此检测品质因数(Figure of Merit,FOM)大大降低。如何设计得到具有窄带多波长光谱，在多样本传感检测中具有重要意义。

Fano共振是得到窄带多波长光谱的有效手段，其谱线带宽窄且陡峭，从而很好的提高了共振品质。对金属颗粒结构来说，Fano共振的实现一般由共振损耗较低的“暗模”与LSPs耦合得到。金属颗粒聚合体结构、法布里-珀罗共振腔等手段均已被广泛研究。

石墨烯以其优异的光电特性与金属纳米结构中的等离激元共振之间的协同作用促成了电调制等离激元共振的发展。通过施加偏置电压或化学掺杂来改变石墨烯的费米能级，进而改变它的电导率，随之改变器件的光学特性。石墨烯和金属纳米结构的相互作用及光学效应成为了研究的热点，可作为可调谐等离激元器件的平台[Emani NK,Chung T-F,NiX,Kildishev AV,Chen YP,Boltasseva A.Electrically tunable damping of plasmonicresonances with graphene.Nano Lett.2012；12(10):5202-6.]

发明内容

本发明的目的是，

利用金属纳米颗粒和光波导耦合效应，以及石墨烯的可调谐效应，设计得到一种多波长窄带可调谐传感器。

本发明提供的传感器，利用波导模式作为共振“暗模”，实现多波长窄带光谱的传感器。并且利用石墨烯，实现了可调谐光谱检测。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种LSPR多波长窄带可调谐传感器，从下到上依次为硅衬底、SiO₂膜、Al₂O₃膜、石墨烯薄膜，石墨烯薄膜上具有E字形金纳米颗粒周期排列。