CN103996719A - 基于介质-介质-金属结构的超材料光学传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于介质-介质-金属结构的超材料光学传感器及其制备方法，其特征在于：在基底上从下至上依次叠加设置有金属薄膜、介质层和周期性介质单元阵列。本发明的超材料光学传感器具有很低的热阻尼(相当于国际产品的1/100以下)，且具有很高的折射率灵敏度和品质因数(一般情况下高于国际产品2-3倍)。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学传感器，更具体的说是涉及一种超材料光学传感器及其制备方法。
背景技术
光学传感器在科研实践和军事斗争的多个领域有着广泛的应用，比如在环境能源、生物科技和光学成像领域。在具体的应用中，对极小的环境折射率的变化有明显的光学响应(主要指反射或透射)是对光学传感器的实际挑战。光学传感器的性质一般用折射率灵敏度(Refractive index sensitivity,RIS)和品质因数(Figure of merit,FOM)来表征。其中FOM＝RIS/FWHM(频谱半高宽)。
近年来，超材料由于具备独特的光学性质越来越引起科技界的重视。而超材料的一个重要应用方向——超材料光学传感器，甚至可以用来探测环境中单个分子的变化，为超精确成像奠定了基础。
目前超材料光学传感器绝大部分都是基于金属-介质-金属(M-I-M)的三层结构设计的。但相对于微波波段，金属在可见光和红外波段对光有较大的吸收率，因此传感器的热阻尼较大，传感器的光频谱半高宽也会因此较大，导致FOM较小。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于介质-介质-金属结构的新型超材料光学传感器，以期可以有效降低器件的热阻尼，从而提高器件的品质因数。
本发明为解决技术问题，采用如下技术方案：
本发明基于介质-介质-金属结构的超材料光学传感器，其结构特点在于：在基底上从下至上依次叠加设置有金属薄膜、介质层和周期性介质单元阵列。
基底只是起物理支撑的作用，因此可以选择多种材料，例如玻璃片、硅片、塑料、陶瓷、金属、木材等。
优选的，所述金属薄膜为金薄膜、银薄膜、铜薄膜、铝薄膜、或铂薄膜。
优选的，所述介质层为二氧化硅薄膜、氧化铝薄膜、氟化镁薄膜或碳化硅薄膜。
优选的，所述周期性介质单元阵列为氮化硅点阵、碳化硅点阵、氧化铝点阵或氟化镁点阵。
优选的，所述周期性介质单元阵列的周期不小于400nm。
介质单元在入射光电场的作用下产生的强烈的电偶极子共振。这种电偶极子共振的位移电流在单元内部产生磁场。根据楞次定律，磁场的出现会在单元内感生出一个磁偶极子以抵消磁场。这个磁偶极子由两个方向相反的极化电流构成。单元下表面的极化电流产生束缚极化电荷的分布。这种束缚极化电荷会在金属薄膜的上表面产生镜像电荷。介质单元下表面极化电流随时间的变化导致束缚极化电荷分布的振荡。这种振荡引起金属薄膜上表面自由极化电荷的集体振荡。从而产生表面等离激元。根据以上的分析，入射光会被局域在超材料内部，从而在反射光谱中出现一个谷。谷的位置随周围环境折射率的变化而变化。根据这个性质，可以制成超材料光学传感器。当周期小于400nm时，传感器的工作波长会落在紫外波段。当介质层厚度变化时，超材料光学传感器的反射谷位置会出现些微的红移。
本发明超材料光学传感器的优选设计为：
一、所述基底为玻璃片，所述金属薄膜为金薄膜，所述介质层为二氧化硅薄膜，所述周期性介质单元阵列为长方体氮化硅单元四方点阵。
二、所述基底为单晶硅片，所述金属薄膜为银薄膜，所述介质层为氧化铝薄膜，所述周期性介质单元阵列为长方体状碳化硅单元四方点阵。
三、所述基底为玻璃片，所述金属薄膜为铜薄膜，所述介质层为氧化铝薄膜，所述周期性介质单元阵列为长方体状氮化硅单元四方点阵。
四、所述基底为单晶硅，所述金属薄膜为铂薄膜，所述介质层为氧化铝薄膜，所述周期性介质单元阵列为长方体状碳化硅单元四方点阵。
本发明所述超材料光学传感器的制备方法，其特点在于按如下步骤进行：
a、将基底置于去离子水中超声清洗5-20分钟，以去除表面的杂质；
b、通过磁控溅射法或热蒸发法在基底的上表面蒸镀金属薄膜，厚度优选为30nm-300nm厚的；
c、通过磁控溅射法在所述金属薄膜上蒸镀介质层，介质层的厚度优选为20nm-200nm；
d、通过等离子体增强化学气相沉积法在介质层上沉积上表面介质层，然后通过激光划线法或紫外光刻法将上表面介质层构造为周期不小于400nm周期性介质单元阵列。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明的超材料光学传感器具有很低的热阻尼(相当于国际产品的1/100以下)，且具有很高的折射率灵敏度和品质因数(一般情况下高于国际产品2-3倍)；国际产品的光学传感器的折射率灵敏度是200-300nm/RIU,品质因数为5-10RIU-1。
2、本发明的超材料光学传感器设计简明、结构新颖，且工艺简单、价格低廉，并不局限于某个材料，拓展了超材料光学传感器的应用范围；
3、本发明的超材料光学传感器可以通过调节结构的几何参数(点阵周期，单元大小，和介质层厚度)改变工作波长范围，具有良好的适应性。
附图说明
图1为本发明超材料光学传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例1所制备的超材料光学传感器反射谷波长位置随环境折射率变化的线性拟合图；
图3为本发明实施例2所制备的超材料光学传感器反射谷波长位置随环境折射率变化的线性拟合图；
图4为本发明实施例3所制备的超材料光学传感器反射谷波长位置随环境折射率变化的线性拟合图；
图5为本发明实施例4所制备的超材料光学传感器反射谷波长位置随环境折射率变化的线性拟合图；
图中标号：1基底；2金属薄膜；3介质层；4周期性介质单元阵列。
具体实施例
实施例1
如图1所示，本实施例以玻璃片为基底、以金薄膜为金属薄膜、以二氧化硅薄膜为介质层，且以长方体状氮化硅单元四方点阵为周期性介质单元阵列，按如下步骤制备超材料光学传感器：
(1)将玻璃片抛光并置于去离子水中超声清洗10分钟，以去除表面的杂质；
(2)在清洗后的玻璃片上用磁控溅射法镀上200nm厚的金薄膜，溅射过程中，真空度是10-4Pa、溅射功率是38W、起辉压强是3Pa、溅射压强是6Pa、反射比是1.3；
(3)在金薄膜上用磁控溅射镀上50nm厚的二氧化硅薄膜，溅射过程中，真空度是10-3Pa,溅射功率是80W、起辉压强是3Pa、溅射压强是5Pa、反射比是1.3；
(4)在二氧化硅薄膜上用PECVD法制备厚度为50nm的氮化硅薄膜，沉积过程中，微波工作频率为2.45GHz，功率为2800W,本底真空度为10-2Pa,反应气体流量比为1/2；在氮化硅薄膜上用激光划线构造长和宽为200nm、高为50nm、划线宽度为200nm、周期为600nm的长方体状氮化硅单元四方点阵，划线过程中，激光功率是20W、运行速度是1000nm/s、刻线直线度是10μm/1000mm。
本实施例中所用的金属薄膜为金薄膜，但是只要第三层薄膜中有大量自由电子就可以使反射谱中有谷。因此许多金属薄膜都是可以采用的，如银、铜、铝、铂。制成的实施例样品因为只有一层是金属，因此比金属-介质-金属结构的超材料光学传感器热阻尼小很多，导致FOM得到很大提升。
图2为本实施例所制备的超材料光学传感器反射谷波长随环境折射率变化的线性拟合图；从图中可以看出反射谷位置随环境折射率变化而红移。每单位折射率的改变导致反射谷位置红移268nm。由于反射谷半高宽还有12.6nm。因此，FOM＝21.2RIU-1。
实施例2
本实施例以单晶硅为基底、以银薄膜为金属薄膜、以氧化铝薄膜为介质层，且以长方体状碳化硅单元四方点阵为周期性介质单元阵列，按如下步骤制备超材料光学传感器：
(1)将单晶硅抛光并置于去离子水中超声清洗10分钟，以去除表面的杂质；
(2)在清洗后的硅基底上用热蒸发法镀上300nm厚的银薄膜，蒸发过程中，电流为20A，真空度是10-3Pa；
(3)在银薄膜上用直流电磁控溅射生长50nm厚的氧化铝薄膜，溅射过程中，溅射过程中，真空度是10-3Pa,溅射功率是60W、起辉压强是3Pa、溅射压强是6Pa、反射比是1.2；
(4)在二氧化硅薄膜上用PECVD法制备厚度为50nm的碳化硅薄膜，沉积过程中，微波工作频率为2.45GHz，功率为2800W,本底真空度为10-4Pa,反应气体流量比为1/2；在碳化硅薄膜上用激光划线构造长和宽为200nm、高为50nm、周期为600nm的长方体状碳化硅单元四方点阵，划线过程中，激光功率是20W，运行速度是1000nm/s，刻线直线度是10μm/1000mm。
图3为本实施例所制备的超材料光学传感器反射谷波长随环境折射率变化的线性拟合图；从图中可以看出本实施例所得传感器的折射率灵敏度(RIS)是953.2nm/RIU，品质因数为37.2RIU-1。
实施例3
本实施例以玻璃片为基底、以铜薄膜为金属薄膜、以氧化铝薄膜为介质层，且以长方体状氮化硅单元四方点阵为周期性介质单元阵列，按如下步骤制备超材料光学传感器：
(1)将玻璃片抛光并置于去离子水中超声清洗10分钟，以去除表面的杂质；
(2)在清洗后的玻璃片上用热蒸发法镀上300nm厚的铜薄膜，蒸发过程中，电流为20A，真空度是10-3Pa；
(3)在铜薄膜上用直流磁控溅射法生长100nm厚的氧化铝薄膜，溅射过程中，溅射功率是60W、起辉Ar气压强是3Pa、溅射压强是6Pa、反射比是1.2；
(4)在二氧化硅薄膜上用PECVD法制备厚度为50nm的氮化硅薄膜，沉积过程中，微波工作频率为2.45GHz，功率为2800W,本底真空度为10-4Pa,反应气体流量比为1/2；在氮化硅薄膜上用紫外光刻法构造长和宽为200nm、高为50nm、周期为600nm长方体状氮化硅单元四方点阵，紫外光刻时，旋涂光刻胶15分钟，每分钟5000转，在85度环境中烘干，曝光时间为10分钟。
图4为本实施例所制备的超材料光学传感器反射谷波长随环境折射率变化的线性拟合图；从图中可以看出本实施例所制备的传感器的折射率灵敏度(RIS)为400nm/RIU，品质因数为62.3RIU-1。
实施例4
本实施例以单晶硅为基底、以铂薄膜为金属薄膜、以氧化铝薄膜为介质层，且以长方体状碳化硅单元四方点阵为周期性介质单元阵列，按如下步骤制备超材料光学传感器：
(1)将单晶硅抛光并置于去离子水中超声清洗10分钟，以去除表面的杂质；
(2)在清洗后的硅基底上用热蒸发法镀上300nm厚的铂薄膜，蒸发过程中，电流为20A，真空度是10-3Pa；
(3)在铂薄膜上用直流电磁控溅射生长50nm厚的氧化铝薄膜，溅射过程中，溅射过程中，真空度是10-3Pa,溅射功率是60W、起辉压强是3Pa、溅射压强是6Pa、反射比是1.2；
(4)在二氧化硅薄膜上用PECVD法制备厚度为50nm的碳化硅薄膜，沉积过程中，微波工作频率为2.45GHz，功率为2800W,本底真空度为10-4Pa,反应气体流量比为1/2；在碳化硅薄膜上用激光划线构造长和宽为200nm、高为50nm、周期为600nm的长方体状碳化硅单元四方点阵，划线过程中，激光功率是40W，运行速度是3000nm/s，刻线直线度是10μm/1000mm。
图5为本实施例所制备的超材料光学传感器反射谷波长随环境折射率变化的线性拟合图；从图中可以看出本实施例所制备的传感器的折射率灵敏度(RIS)为512nm/RIU，品质因数为73.3RIU-1。
Claims (10)
1.基于介质-介质-金属结构的超材料光学传感器，其特征在于：在基底(1)上从下至上依次叠加设置有金属薄膜(2)、介质层(3)和周期性介质单元阵列(4)。
2.根据权利要求1所述的超材料光学传感器，其特征在于：所述金属薄膜为金薄膜、银薄膜、铜薄膜、铝薄膜、或铂薄膜。
3.根据权利要求1所述的超材料光学传感器，其特征在于：所述介质层为二氧化硅薄膜、氧化铝薄膜、氟化镁薄膜或碳化硅薄膜。
4.根据权利要求1所述的超材料光学传感器，其特征在于：所述周期性介质单元阵列为氮化硅点阵、碳化硅点阵、氧化铝点阵或氟化镁点阵。
5.根据权利要求1或4所述的超材料光学传感器，其特征在于：所述周期性介质单元阵列的周期不小于400nm。
6.根据权利要求1所述的超材料光学传感器，其特征在于：所述基底(1)为玻璃片，所述金属薄膜(2)为金薄膜，所述介质层(3)为二氧化硅薄膜，所述周期性介质单元阵列(4)为长方体氮化硅单元四方点阵。
7.根据权利要求1所述的超材料光学传感器，其特征在于：所述基底(1)为单晶硅，所述金属薄膜(2)为银薄膜，所述介质层(3)为氧化铝薄膜，所述周期性介质单元阵列(4)为长方体状碳化硅单元四方点阵。
8.根据权利要求1所述的超材料光学传感器，其特征在于：所述基底(1)为玻璃片，所述金属薄膜(2)为铜薄膜，所述介质层(3)为氧化铝薄膜，所述周期性介质单元阵列(4)为长方体状氮化硅单元四方点阵。
9.根据权利要求1所述的超材料光学传感器，其特征在于：所述基底(1)为单晶硅，所述金属薄膜(2)为铂薄膜，所述介质层(3)为氧化铝薄膜，所述周期性介质单元阵列(4)为长方体状碳化硅单元四方点阵。
10.一种权利要求1至9任意一项所述超材料光学传感器的制备方法，其特征在于按如下步骤进行：
a、将基底(1)置于去离子水中超声清洗，以去除表面的杂质；
b、通过磁控溅射法或热蒸发法在基底的上表面蒸镀金属薄膜(2)；
c、通过磁控溅射法在所述金属薄膜上蒸镀介质层(3)；
d、通过等离子体增强化学气相沉积法在介质层(3)上沉积上表面介质层，然后通过激光划线法或紫外光刻法将上表面介质层构造为周期性介质单元阵列(4)。
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