CN108872151A - 一种基于t形对和纳米线对的光学传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于T形对和纳米线对的光学传感器，包括电介质层、金属纳米结构和基底，金属纳米结构为二聚体结构，金属纳米结构包括设置于基底上的线型金属纳米对和位于线型金属纳米对之间的T型金属纳米对，各所述T型金属纳米线的横边的两端与相应的线型金属纳米线之间的距离与两个T型金属纳米线各自的纵边之间的距离相等，所述线型金属纳米线的长度与T型金属纳米线的横边的长度相等，T型金属纳米线的纵边的宽度和横边的宽度以及线型金属纳米线的宽度相等，T型金属纳米线的高度与线型金属纳米线的高度相等。该结构简单，制备工艺要求难度大大降低，有很好的传感效果，而且该结构的光学传感器可以容易提高传感器的灵敏度。

Description

一种基于T形对和纳米线对的光学传感器
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体涉及一种基于T形对和纳米线对的光学传感器。
背景技术
传感器在微型化、自动化、选择性、稳定性、灵敏性、响应时间和使用寿命等方面的要求越来越高,新型传感材料的开发应用越来越受到重视。采用新材料制作新型传感器已成为研究的重要方向之一,以纳米线作传感器敏感材料的研究尤其引人注目。这主要在于一维纳米材料有巨大的比表面积和很高的表面活性,所以对周围环境尤其敏感。
2011年Verellen N 等人在《Plasmon Line Shaping Using Nanocrosses forHigh Sensitivity Localized Surface Plasmon Resonance Sensing》中提出了一种基于X型和纳米线结合的超材料传感器，该传感器的左侧是X型，右侧是纳米线，它们的材料都是由金组成的，由从下到上依次为介质、金、基底组成的三层结构，基底是玻璃材料。该结构中X型结构具有角度控制的特点，但是上述结构在制备过程中比较困难，制备工艺要求较高，而且该结构的影响，该传感器的灵敏度不高，有时无法满足客户需要的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、易于加工且极大地提高灵敏度的基于T形对和纳米线对的光学传感器。
为实现上述目的，本发明的一种基于T形对和纳米线对的光学传感器采用如下技术方案：一种基于T形对和纳米线对的光学传感器，包括由上至下依次设置的电介质层、金属纳米结构和基底，金属纳米结构为二聚体结构，金属纳米结构包括设置于基底的上表面上的线型金属纳米对，线型金属纳米对包括平行间隔设置的沿纵向延伸的线型金属纳米线，金属纳米结构还包括于线型金属纳米线之间相对设置于基底的上表面上的T型金属纳米对，T型金属纳米对包括纵边相对间隔设置、横边平行设置的T型金属纳米线，各所述T型金属纳米线的横边的两端与相应的线型金属纳米线之间的距离和两个T型金属纳米线各自的纵边之间的距离相等，所述线型金属纳米线的长度与T型金属纳米线的横边的长度相等，T型金属纳米线的纵边的宽度和横边的宽度以及线型金属纳米线的宽度相等，T型金属纳米线的高度与线型金属纳米线的高度相等。
所述横边的两端与相应的线型金属纳米线的距离为10-60nm。
所述横边的两端与相应的线型金属纳米线的距离为40nm。
所述线型金属纳米线的长度为80-150nm。
所述线型金属纳米线的长度为100nm。
所述T型金属纳米线的纵边的长度为30nm-90nm。
所述线型金属纳米线的宽度为10-50nm。
所述线型金属纳米线的宽度为20nm。
所述T型金属纳米线的高度为20-50nm。
所述T型金属纳米线的高度为30nm。
本发明的有益效果：金属纳米结构为二聚体结构，包括线型金属纳米对和位于线型金属纳米对之间的T型金属纳米对，各所述T型金属纳米线的横边的两端与相应的线型金属纳米线之间的距离与两个T型金属纳米线各自的纵边之间的距离相等，所述线型金属纳米线的长度与T型金属纳米线的横边的长度相等，T型金属纳米线的纵边的宽度和横边的宽度以及线型金属纳米线的宽度相等，T型金属纳米线的高度与线型金属纳米线的高度相等。该结构简单，制备工艺要求难度大大降低，有很好的传感效果，而且该结构的光学传感器可以容易提高传感器的灵敏度。光可以沿任意方向入射，不存在因为入射角度而带来灵敏度的不同。这种光学传感器只对物体的折射率比较敏感，与光的强度无关，无论光从哪个方向入射，只要照射到这种结构上就可以检测到并用波长的变化表示出来。
附图说明
图1是本发明的一种基于T形对和纳米线对的光学传感器的一种实施例的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是T型金属纳米对和线型金属纳米对的位置结构示意图；
图4是本实施例中理论计算所得到的光学传感器的消光谱曲线图；
图5是本实施例中理论计算所得到的光学传感器的入射波长与折射率关系图；
图6是本实施例中理论计算所得到的光学传感器的品质因数的关系图，其中P1是短波波长随折射率的变化，P2是长波波长随折射率的变化，它们的关系是FOM = m(nm RIU-1)/FWHM (nm),m是一个单元内折射率改变时波长的变化，FWHM是半波宽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种基于T形对和纳米线对的光学传感器的实施例：如图1-图6所示，包括由上至下依次设置的电介质层1、金属纳米结构和基底2，基底2为石英板，金属纳米结构为二聚体结构并嵌入基底2上。金属纳米结构包括设置于基底2的上表面上的具有平行间隔设置的线型金属纳米线5的线型金属纳米对3，线型金属纳米线5的长度沿纵向延伸。金属纳米结构还包括于基底2的上表面上线型金属纳米线5之间相对设置的T型金属纳米对4，T型金属纳米对4包括纵边8相对间隔设置、横边7平行设置的T型金属纳米线6。其中，各T型金属纳米线6的横边7的两端与相应的线型金属纳米线5之间的距离D和两个T型金属纳米线6各自的纵边8之间的距离D相等，线型金属纳米线5的长度L与T型金属纳米线6的横边7的长度L相等，T型金属纳米线6的纵边8的宽度W和横边7的宽度W以及线型金属纳米线5的宽度W相等，T型金属纳米线6的高度H与线型金属纳米线5的高度H相等。光可以沿任意方向入射，不存在因为入射角度而带来灵敏度的不同。这种光学传感器只对物体的折射率比较敏感，与光的强度无关，无论光从哪个方向入射，只要照射到这种结构上就可以检测到并用波长的变化表示出来。线型金属纳米对3和T型金属纳米对4均采用金属银制成，电介质层1为空气。
各T型金属纳米线6的横边7的两端与相应的线型金属纳米线5的距离D为40nm。线型金属纳米线5的长度为100nm。T型金属纳米线6的纵边8的长度S为40nm。T型金属纳米线6的纵边8的宽度为20nm。T型金属纳米线6的高度H为30nm。
金属纳米结构为二聚体结构，上述结构简单，制备工艺要求难度大大降低，有很好的传感效果，而且该结构的光学传感器可以容易提高传感器的灵敏度。该光学传感器的机理是通过调节T形金属纳米对的参数和线型金属纳米对的参数来促进各个金属纳米线之间的等离子体发生相互作用产生不同的光谱响应，实现传感效果。
上述基于T形对和纳米线对结构的光学传感器的制备过程包括以下步骤：
步骤1. 清洗材质为石英的基底：先对基底进行表面处理，然后进行预烘烤去除由于表面处理而带来的水蒸气、化学药品。
步骤2. 旋转涂胶：选用喷雾涂胶法，旋转涂胶要经过滴胶、低速旋转、高速旋转几个步骤。
步骤4. 曝光：在掩膜板的作用下对光刻胶进行曝光,制备T形对、纳米线对。
步骤5. 电子束蒸镀：利用电子束蒸发***，将金属蒸镀到T形对、纳米线对的孔中。
步骤6. 显影：对曝光后的光刻胶用显影液进行腐蚀显影。
步骤7. 清洗：洗去光刻胶就可以得到相应的结构。如图3所示。
利用有限元电磁仿真软件Comsol Multiphysics的波动光学模块来模拟带传感器的传感特性。首先应在软件中构建一个结构模型然后再设置周期性边界条件，针对边界反射情况可以通过构建完美匹配层来消除影响，最后整个结构进行模拟。计算所得到的传感器的消光谱曲线图，如图4所示。计算所得到的传感器的入射波长与折射率关系图，如图5所示。计算所得到的传感器的品质因数的关系图如图6所示。
在本发明的其他实施例中，线型金属纳米线的长度为80nm；线型金属纳米线的长度为150nm；T型金属纳米线的纵边的长度为30nm；T型金属纳米线的纵边的长度为90nm；T型金属纳米线的纵边的宽度为10nm；T型金属纳米线的纵边的宽度为50nm；T型金属纳米线的高度为20nm；T型金属纳米线的高度为50nm；横边的两端与相应的线型金属纳米线的距离为10nm；横边的两端与相应的线型金属纳米线的距离为60nm。

Claims (10)

1.一种基于T形对和纳米线对的光学传感器，包括由上至下依次设置的电介质层、金属纳米结构和基底，其特征在于：金属纳米结构为二聚体结构，金属纳米结构包括设置于基底的上表面上的线型金属纳米对，线型金属纳米对包括平行间隔设置的沿纵向延伸的线型金属纳米线，金属纳米结构还包括于线型金属纳米线之间相对设置于基底的上表面上的T型金属纳米对，T型金属纳米对包括纵边相对间隔设置、横边平行设置的T型金属纳米线，各所述T型金属纳米线的横边的两端与相应的线型金属纳米线之间的距离和两个T型金属纳米线各自的纵边之间的距离相等，所述线型金属纳米线的长度与T型金属纳米线的横边的长度相等，T型金属纳米线的纵边的宽度和横边的宽度以及线型金属纳米线的宽度相等，T型金属纳米线的高度与线型金属纳米线的高度相等。
2.根据权利要求1所述的基于T形对和纳米线对的光学传感器，其特征在于：所述横边的两端与相应的线型金属纳米线的距离为10-60nm。
3.根据权利要求1所述的基于T形对和纳米线对的光学传感器，其特征在于：所述横边的两端与相应的线型金属纳米线的距离为40nm。
4.根据权利要求1所述的基于T形对和纳米线对的光学传感器，其特征在于：所述线型金属纳米线的长度为80-150nm。
5.根据权利要求4所述的基于T形对和纳米线对的光学传感器，其特征在于：所述线型金属纳米线的长度为100nm。
6.根据权利要求1所述的基于T形对和纳米线对的光学传感器，其特征在于：所述T型金属纳米线的纵边的长度为30nm-90nm。
7.根据权利要求1所述的基于T形对和纳米线对的光学传感器，其特征在于：所述线型金属纳米线的宽度为10-50nm。
8.根据权利要求7所述的基于T形对和纳米线对的光学传感器，其特征在于：所述线型金属纳米线的宽度为20nm。
9.根据权利要求1所述的基于T形对和纳米线对的光学传感器，其特征在于：所述T型金属纳米线的高度为20-50nm。
10.根据权利要求9所述的基于T形对和纳米线对的光学传感器，其特征在于：所述T型金属纳米线的高度为30nm。
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