CN109100308B - 一种基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器及其设计方法，包括至下而上依次连接的硅基底层、Bragg反射镜层、缓冲层和圆孔型光子晶体光栅层；所述Bragg反射镜层包括N个周期循环交替排列的高孔隙率多孔硅层和低孔隙率多孔硅层；所述圆孔型光子晶体光栅层上设有晶格排列的空气孔周期阵列；所述空气孔周期阵列以晶格常数a排列。本发明利用严格耦合波分析法，首次在硅基底层上设计一种简单的全多孔硅多层电介质光栅结构，使得多孔硅生物传感器的灵敏度大幅度提高，本发明具有检测灵敏度高、结构简单和检测精确等优点。

Description

一种基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器及其设计方法
技术领域
本发明属于生物传感器技术领域，涉及一种多孔硅基多层电介质生物传感器，特别是一种基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器及其设计方法。
背景技术
光学生物传感器提供高灵敏度，快速读出和低成本的相关化学物质的无标记检测，对于医疗诊断，食品安全和国土安全的应用至关重要。为了检测特定的无标记生物分析物和小分子，等离子体和光子传感平台已成为强有力的工具。在这些平台中，分析物的固定产生结构的光学性质的可测量变化，这通常是由于在渐逝衰减场中探测的传感器表面处折射率的变化。因为传统的光学平台利用平面固体，所以分析物的可用表面结合位点的总数是有限的，并且在整个表面处光学场和分析物之间仅存在微小的相互作用，导致灵敏度有限。此外，基于平面固体材料的传感器不能选择性地过滤不需要的材料或尺寸选择性地检测目标分子。多孔传感结构解决了许多上述挑战，并且越来越多地被结合到光学传感平台中。多孔硅PSi是一种特别有吸引力的无标记生物传感平台，因为它具有高度可调的光学特性，增强的表面积以及快速且经济的制造。由纳米级孔隙的存在引起的大表面积允许改善对生物分子相互作用的敏感性，而可调孔隙尺寸～2nm至＞100nm使得能够进行尺寸选择性检测和过滤较大的污染物种类。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。
例如，中国专利CN102313717A公开了一种多孔硅微腔生物传感器，其包括上Bragg反射镜、下Bragg反射镜以及夹在所述上Bragg反射镜和下Bragg反射镜之间的缺陷层，所述缺陷层厚度为所述高多孔率层厚度的2倍。当加入的被检测生物分子进入缺陷层中后，谐振峰会发生相应的移动，从而能够根据移动量的多少来判断所加入的生物分子浓度值。
上述这些PSi传感器面临的一个关键限制是能否有效地检测容易渗透多孔基质的小分子和缓慢扩散到孔中或被孔过滤掉的大分子。近年来基于布洛赫表面波Blochsurface wave， BSW的生物光学传感器的研究也逐渐受到关注，与表面等离子体激元(SPP)相比，布洛赫表面波与表面等离子体波的一些特点相似，表面等离子体波是在电磁波与金属表面自由电子之间相互作用的情况下，激发出等离子体而形成一种特殊的电磁波模式。两者都是通过改变电磁场的空间分布，从而使表面处电磁场局域增强，而布洛赫表面波具有更好的特性。特别是在传感领域，与表面等离子体传感器相比，布洛赫表面波传感器有着许多优势：表面等离子体波只能由TM偏振光激发，而布洛赫表面波在TE及TM偏振光下均可激发；表面等离子体波波长由金属层的特性决定，因此不能改变，而布洛赫表面波波长可以通过改变周期层介质的结构参数(如周期层的厚度和折射率等)来形成任意波长的表面波；布洛赫表面波被激发时不用考虑金属的吸收损耗，从而使得发生谐振后的表面波更尖锐，从而可以得到更高的灵敏度和谱线分辨率。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器及其设计方法，本发明利用多层电介质结构激发的BSW来提高多孔硅生物传感器的灵敏度。由于传统电化学腐蚀方法制备的多孔硅具有高折射率介电层的小孔径和复杂孔隙图案，为了解决分析物难以渗透和分布的不均匀性，本发明方法基于布洛赫表面波BSW原理设计一种多层电介质光栅结构，通过严格耦合波分析法建立模型进行计算，然后进行参数优化，选择合适的结构参数得到较窄谐振峰的反射光谱图。
本发明的技术方案是：一种基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器，包括至下而上依次连接的硅基底层1、Bragg反射镜层2、缓冲层3和圆孔型光子晶体光栅层4；
所述Bragg反射镜层2包括N个周期循环交替排列的高孔隙率多孔硅层201和低孔隙率多孔硅层202；
所述圆孔型光子晶体光栅层4上设有多个空气孔401，所述空气孔401以晶格常数a排列。
优选的，所述N＝5。
上述方案中，所述空气孔401以晶格常数a为1000±100nm的三角形或正方形排列。
优选的，所述晶格常数a为1000nm。
优选的，所述高孔隙率多孔硅层201的孔隙率ρ＝80％，所述低孔隙率多孔硅层202的孔隙率ρ＝50％。
优选的，所述高孔隙率多孔硅层201和低孔隙率多孔硅层202的厚度通过以下公式计算：
Figure BDA0001775106750000021
其中，入射光波长λ0＝1.55μm；
所述高孔隙率多孔硅层201折射率nL＝1.32，高孔隙率多孔硅层201厚度dL＝294nm；所述低孔隙率多孔硅层202折射率nH＝2.15，低孔隙率多孔硅层202厚度dH＝180nm。
上述方案中，所述空气孔直径D取值从为200nm～600nm，步长设置为100nm；所述孔深 h取值从400nm～800nm，步长设置为100nm。
优选的，所述空气孔直径D＝300nm；所述空气孔孔深h＝600nm。
一种所述的基于布洛赫表面波的高灵敏度多孔硅生物传感器的设计方法 ，包括以下步骤：
步骤S1.通过严格耦合波分析方法利用软件建立基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器的结构模型，所述基于布洛赫表面波的高灵敏度多孔硅生物传感器的结构包括至下而上依次连接的硅基底层1、Bragg反射镜层2、缓冲层3和圆孔型光子晶体光栅层4，所述Bragg反射镜层2包括N个周期循环交替排列的高孔隙率多孔硅层201和低孔隙率多孔硅层202，所述圆孔型光子晶体光栅层4上设有多个空气孔401，所述空气孔401以晶格常数a排列；
步骤S2.基于严格耦合波分析法计算入射波长在近红外波段λ0的光在多孔硅结构里面的演化，通过对Bragg反射镜层2周期数N和圆孔型光子晶体光栅层4的结构参数进行优化，以获得激发布洛赫表面波BSW的最佳结构 参数组合，所述结构参数包括晶格常数a、空气孔直径D和空气孔孔深h；
步骤S3.分析具有不同折射率分析物的基于布洛赫表面波的高灵敏度多孔硅生物传感器的光谱灵敏度。
优选的，所述最佳参数的组合为：所述Bragg反射镜层2周期数N＝5，晶格常数a＝1000nm，空气孔直径D＝300nm，空气孔孔深h＝600nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明基于布洛赫表面波BSW原理设计一种多层电介质光栅结构，通过严格耦合波分析法建立模型进行计算，然后进行参数优化，选择合适的结构参数得到较窄谐振峰的反射光谱图，本发明设计的多层电介质光栅结构，其自下而上依次为硅基底层、Bragg反射镜层、缓冲层和圆孔型光子晶体光栅层，解决了由传统电化学腐蚀方法制备的多孔硅具有高折射率介电层的小孔径和复杂孔隙图案，引起的分析物难以渗透和分布不均匀的问题。
2.本发明通过在严格耦合波分析方法的基础上，利用Rsoft软件中Diffract模块构建一个带有多层电介质光栅的多孔硅结构模型，然后进行参数优化，以获得激发布洛赫表面波BSW 的多孔电介质反射率的最佳参数组合，采用周期性边界条件PBC和完美匹配层PML分析最小周期单元结构。
3.本发明本发明利用严格耦合波分析法，首次在硅基底层上设计一种简单的全多孔硅多层电介质光栅结构，使得多孔硅生物传感器的灵敏度大幅度提高，最佳参数组合为：Bragg 反射镜周期数N＝5，正方晶格常数a＝1000nm，空气孔直径D＝300nm，孔深h＝600nm，当待测分析物折射率在1.470～1.495时灵敏度达159.5°/RIU，相比于一维光子晶体表面缺陷态结构多孔硅生物传感器提高了1.5倍。基于BSW的光学生物传感器可以实现采用TM偏振和 TE偏振条件下电磁波对待测物质性质的检测，使用范围更广。
附图说明
图1为多孔硅生物传感器的结构示意图。
图2为多孔硅生物传感器的剖视图。
图3为多孔硅生物传感器结构的俯视图。
图4为在近红外波段范围内，不同Bragg反射镜周期数对反射光谱的影响。
图5为在近红外波段范围内，空气孔直径变化对反射光谱的影响。
图6为在近红外波段范围内，空气孔深度变化对反射光谱的影响。
图7为在近红外波段范围内，待测物为液体时，改变液体折射率的情况下，TE偏振电磁波，随入射角度的变化激发BSW的情况。
图8为模拟多孔硅生物传感器渗入分析物后，谐振角度与分析物折射率之间的线性回归关系图；其中黑色半圆表示利用RCWA得到的仿真数值，黑色实线表示相应的拟合结果。
其中：1-硅基底层，2-Bragg反射镜层，201-高孔隙率多孔硅层，202-低孔隙率多孔硅层， 3-缓冲层，4-圆孔型光子晶体光栅层，401-空气孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明提供了一种基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器，该多孔硅生物传感器通过多层Bragg反射镜耦合圆孔型光子晶体光栅激发BSW频率的电磁波，采用这种光学传感器可以实现对待测物质性质的检测。
如图1和图2所示，一种基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器，适用于待测物质性能的检测，至下而上依次连接的硅基底层1、Bragg反射镜层2、缓冲层3和圆孔型光子晶体光栅层4；所述Bragg反射镜层2包括N个周期循环交替排列的高孔隙率多孔硅层201和低孔隙率多孔硅层202；所述圆孔型光子晶体光栅层4上设有多个空气孔401，所述空气孔401以晶格常数a排列。
所述Bragg反射镜层2包括N个周期循环交替排列的高孔隙率多孔硅层201和低孔隙率多孔硅层202。
优选的，所述高孔隙率多孔硅层ρ＝80％，所述低孔隙率多孔硅层ρ＝50％，先设入射波长λ0＝1.55μm，nL＝1.32，nH＝2.15然后依据方程：nHdH＝nLdL＝λ0/4确定所述高孔隙率多孔硅层201和低孔隙率多孔硅层202的厚度d。其中，n代表多孔硅层折射率，d代表多孔硅层厚度，下标H表示高折射率多孔硅层，下标L表示低折射率多孔硅层，λ0代表入射光波长，通过上述公式可以在四分之一波长处激发光子局域。
优选的，所述高孔隙率多孔硅层201折射率nL＝1.32，多孔硅层厚度dL＝294nm；所述低孔隙率多孔硅层202折射率nH＝2.15，多孔硅层厚度dH＝180nm。
优选的，所述空气孔直径D取值从200nm变化到600nm，步长设置为100nm；所述孔深h取值从400nm变化到800nm，步长同样设置为100nm。
所述晶格常数a为1000±100nm，优选的所述晶格常数a为1000nm。
所述Bragg反射镜层2、缓冲层3和圆孔型光子晶体光栅层4均为半导体材料。所述Bragg 反射镜层2、缓冲层3、圆孔型光子晶体光栅层4均为在硅片采用电化学方法腐蚀而成的多孔硅材料，多孔硅层折射率和厚度通过电流大小和腐蚀时间长短控制。
优选的，所述缓冲层3和圆孔型光子晶体光栅层4多孔硅折射率均为1.65。
一种所述基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器的设计方法 ，包括以下步骤：
步骤S1.在严格耦合波分析方法的基础上，利用Rsoft软件中Diffract模块构建一个带有多层电介质光栅的基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器结构模型，所述基于布洛赫表面波的高灵敏度多孔硅生物传感器的结构包括至下而上依次连接的硅基底层1、Bragg反射镜层2、缓冲层3和圆孔型光子晶体光栅层4，所述Bragg反射镜层2包括N个周期循环交替排列的高孔隙率多孔硅层201和低孔隙率多孔硅层202，所述圆孔型光子晶体光栅层4上设有多个空气孔401，所述空气孔401以晶格常数a排列；
步骤S2.基于严格耦合波分析法计算入射波长在近红外波段λ0＝1.55μm的光在多孔硅结构里面的演化，通过对Bragg反射镜层2周期数N和圆孔型光子晶体光栅层4的结构参数进行优化，以获得激发布洛赫表面波BSW的最佳结构 参数组合，所述结构参数包括晶格常数a、空气孔直径D和空气孔孔深h等；
步骤S3.基于角度询问方法，***地分析了具有不同折射率分析物的基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器的光谱灵敏度和传感器的响应特性，当待测分析物折射率在1.470变化到 1.495，反射光谱产生红移，如图7所示。
模拟表明，基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器中，Bragg反射镜周期数N＝5，正方晶格常数a＝1000nm，空气孔直径D＝300nm，孔深h＝600nm，可以提高多层电介质光栅生物传感器的灵敏度，其值＞159°/RIU。
实施例一
如图1所示，一种基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器，包括至下而上依次连接的硅基底层1、Bragg反射镜层2、缓冲层3和圆孔型光子晶体光栅层4。
如图2所示，所述Bragg反射镜层2包括N个周期循环交替排列的高孔隙率多孔硅层201 和低孔隙率多孔硅层202；
如图3所示，所述圆孔型光子晶体光栅层4上设有正方晶格排列的空气孔401周期阵列；所述空气孔周期阵列以晶格常数a正方排列。
所述空气孔直径D取值从200nm变化到600nm，步长设置为100nm；所述孔深h取值从400nm变化到800nm，步长同样设置为100nm。
所述正方晶格常数a为1000±100nm。
指圆孔型光子晶体向光栅层4的横向电TE或横向磁TM偏振光源将衍射地耦合到缓冲层3中，其光栅方程表达式为：
Figure BDA0001775106750000061
其中，neff是一个WG模式的有效折射率，nc是覆盖层的折射率，θ是从垂直入射测量的耦合角，m是衍射级，λ0是自由空间波长，∧是光栅间距，即上述晶格常数a。在耦合角下，高阶衍射光强耦合到高折射率核心层即缓冲层3，在远场反射中产生强烈的共振特征。当液体，气体或分子被引入结构时，PSi层的折射率改变，从而产生耦合角θ的可检测的偏移。与分析物仅在表面相互作用的无孔传感器相比，本发明传感器具有多层电介质光栅结构其的检测灵敏度比平面绝缘硅SOI光栅耦合WG大一个数量级。
通过以下步骤：基于严格耦合波分析法建立多层电介质光栅的多孔硅结构模型即基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器的结构模型；设计Bragg反射镜层2的周期数，圆孔型光子晶体光栅层4空气孔401直径和孔深，进行初步计算：用RCWA算法进行优化处理，获得最优结果参数；在垂直入射光λ0＝1.55μm情况下，多层电介质光栅可以看成亚波长光栅结构，由于光栅周期即晶格常数，远小于入射波长，只存在零级衍射波的特点。
在进行多孔硅生物传感器的设计时，可以通过理论分析和数值计算，针对采用不同周期数的Bragg反射镜层2获得最佳的BSW激发效果，以实现最佳的光学传感检测。如图4所示随着布拉格反射镜周期数的增加反射效率随之提高，当周期数N大于5时反射率提高幅度减小，并且周期数也不是越多越好，其受到多层电介质难以渗透的限制，因此我们选择Bragg 周期数N为5。
为了更好地说明该结构的效果，本发明采用优化后的结构参数，Bragg反射镜周期数N＝5，正方晶格常数a＝1000nm，空气孔直径D＝300nm，孔深h＝600nm，这样优化的结构算出的传感器灵敏度为159.5°/RIU，如图8所示。
实施例二
图1所示，一种基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器，包括至下而上依次连接的硅基底层1、Bragg反射镜层2、缓冲层3和圆孔型光子晶体光栅层4。
如图2所示，所述Bragg反射镜层包括N个周期循环交替排列的高孔隙率多孔硅层201 和低孔隙率多孔硅层202。
如图3所示，所述圆孔型光子晶体光栅层4上设有正方晶格排列的空气孔401周期阵列；所述空气孔401周期阵列以晶格常数a正方排列。
所述空气孔直径D取值从200nm变化到600nm，步长设置为100nm；所述孔深h取值从400nm变化到800nm，步长同样设置为100nm。
所述正方晶格常数a为1000±100nm。
通过以下步骤：基于严格耦合波分析法建立多层电介质光栅的多孔硅结构模型，即基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器的结构模型；设计Bragg反射镜层2周期数，圆孔型光子晶体光栅层4空气孔401直径和孔深，进行初步计算：用RCWA算法进行优化处理，获得最优结果参数；在垂直入射光λ0＝1.55μm情况下，多层电介质光栅可以看成亚波长光栅结构，由于光栅周期即晶格常数，远小于入射波长，只存在零级衍射波的特点。
为研究不同空气孔直径对BSW效应的影响，取D＝200nm，300nm，400nm，500nm和600nm，从图5可以发现反射光谱中BSW激发的谐振峰尖锐程度先增大后减小，在D＝300nm处取得极值。
为了更好地说明该结构的效果，本发明采用优化后的结构参数，Bragg反射镜周期数N＝5，正方晶格常数a＝1000nm，空气孔直径D＝400nm，孔深h＝600nm，这样优化的结构算出的传感器灵敏度为138.9°/RIU。
实施例三
如图1所示，一种基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器，包括至下而上依次连接的硅基底层1、Bragg反射镜层2、缓冲层和、圆孔型光子晶体光栅层4。
如图2所示，所述Bragg反射镜层包括N个周期循环交替排列的高孔隙率多孔硅层201 和低孔隙率多孔硅层202；
如图3所示，所述圆孔型光子晶体光栅层4上设有正方晶格排列的空气孔401周期阵列；所述空气孔周期阵列以晶格常数a正方排列。
所述空气孔直径D取值从200nm变化到600nm，步长设置为100nm；所述孔深h取值从400nm变化到800nm，步长同样设置为100nm。
所述正方晶格常数a为1000±100nm。
通过以下步骤：基于严格耦合波分析法建立多层电介质光栅的多孔硅结构模型即基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器的结构模型；设计Bragg反射镜层2的周期数，圆孔型光子晶体光栅层4空气孔401直径和孔深，进行初步计算：用RCWA算法进行优化处理，获得最优结果参数；在垂直入射光λ0＝1.55μm情况下，多层电介质光栅可以看成亚波长光栅结构，由于光栅周期即晶格常数，远小于入射波长，只存在零级衍射波的特点。
为研究不同空气孔深度对BSW效应的影响，取h＝200nm，300nm，400nm，500nm和600nm。如图6所示，当h在400～600nm范围内变化时，共振峰峰值先减小后增大；当孔深h＝600nm 时，反射光谱产生最尖锐的共振峰。
为了更好地说明该结构的效果，本发明采用优化后的结构参数，Bragg反射镜周期数N＝5，正方晶格常数a＝1000nm，空气孔直径D＝300nm，孔深h＝500nm，这样优化的结构算出的传感器灵敏度为153.3°/RIU。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器，其特征在于，包括至下而上依次连接的硅基底层(1)、Bragg反射镜层(2)、缓冲层(3)和圆孔型光子晶体光栅层(4)；
所述Bragg反射镜层(2)包括N个周期循环交替排列的高孔隙率多孔硅层(201)和低孔隙率多孔硅层(202)；
所述圆孔型光子晶体光栅层(4)上设有多个空气孔(401)，所述空气孔(401)以晶格常数a排列。
2.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器，其特征在于，所述N＝5。
3.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器，其特征在于，所述空气孔(401)以晶格常数a为1000±100nm的三角形或正方形排列。
4.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器，其特征在于，所述晶格常数a为1000nm。
5.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器，其特征在于，所述高孔隙率多孔硅层(201)的孔隙率ρ＝80％，所述低孔隙率多孔硅层(202)的孔隙率ρ＝50％。
6.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器，其特征在于，所述高孔隙率多孔硅层(201)和低孔隙率多孔硅层(202)的厚度通过以下公式计算：
Figure FDA0002404554050000011
其中，入射光波长λ0＝1.55μm；
所述高孔隙率多孔硅层(201)折射率nL＝1.32，高孔隙率多孔硅层(201)厚度dL＝294nm；所述低孔隙率多孔硅层(202)折射率nH＝2.15，低孔隙率多孔硅层(202)厚度dH＝180nm。
7.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器，其特征在于，所述空气孔直径D取值从200nm～600nm，步长设置为100nm；孔深h取值从400nm～800nm，步长设置为100nm。
8.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器，其特征在于，所述空气孔直径D＝300nm；所述空气孔孔深h＝600nm。
9.一种权利要求1-8任意一项所述的基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1.通过严格耦合波分析方法利用软件建立基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器的结构模型，所述基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器的结构包括至下而上依次连接的硅基底层(1)、Bragg反射镜层(2)、缓冲层(3)和圆孔型光子晶体光栅层(4)，所述Bragg反射镜层(2)包括N个周期循环交替排列的高孔隙率多孔硅层(201)和低孔隙率多孔硅层(202)，所述圆孔型光子晶体光栅层(4)上设有多个空气孔(401)，所述空气孔(401)以晶格常数a排列；
步骤S2.基于严格耦合波分析法计算入射波长在近红外波段λ0的光在多孔硅结构里面的演化，通过对Bragg反射镜层(2)周期数N和圆孔型光子晶体光栅层(4)的结构参数进行优化，以获得激发布洛赫表面波BSW的最佳结构参数组合，所述结构参数包括晶格常数a、空气孔直径D和空气孔孔深h；
步骤S3.分析具有不同折射率分析物的基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器的光谱灵敏度。
10.根据权利要求9所述的基于布洛赫表面波的多孔硅生物传感器的设计方法，其特征在于，所述最佳参数的组合为：所述Bragg反射镜层(2)周期数N＝5，晶格常数a＝1000nm，空气孔直径D＝300nm，空气孔孔深h＝600nm。
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