CN109900659A - 一种基于磁光表面等离子体共振的折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学传感领域，具体涉及一种基于磁光表面等离子体共振的折射率传感器。本发明通过设计介质层进行结构设计，构建了连续金属薄膜层、Ce:YIG薄膜和贵金属周期结构三层结构，从而实现贵金属纳米颗粒局域型表面等离激元和连续金属薄膜层/Ce:YIG界面的传播型表面等离激元共振耦合，利用了Ce:YIG薄膜材料相比于铁磁金属材料，在可见光及近红外波段有着较低的光学损耗，并具有较高的磁光效应以及较高的稳定性；显著降低了局域等离激元谐振的散射损耗，并实现磁光效应的显着增强。使用磁光氧化物的强磁光效应，器件品质因数达2200RIU‑1。
Description
技术领域
本发明属于光学传感领域，具体涉及一种基于磁光表面等离子体共振的折射率传感器。
背景技术
表面等离激元共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)是指金属中的传导电子与入射电磁场耦合产生的集体振荡。在SPR现象中，局域等离激元共振(LSPR)是指电磁波与亚波长尺度金属颗粒耦合产生的自由电子局域共振现象。由于LSPR对纳米颗粒的组成，形状，尺寸和局部介电环境高度敏感，可应用于无标记和高灵敏度的传感器，用于测量环境变化和生物分子相互作用。同时由于LSPR结构的小尺寸，可以实现高空间分辨率的化学生物传感。然而，由于LSPR器件共振线宽比较宽，基于LSPR的传感器的灵敏度通常在200-800nm/RIU之间，而品质因数(FoM)——灵敏度与谐振峰线宽的比值，相对较低(通常低于6)。因此，提高LSPR传感器的灵敏度和品质因数成为领域的研究热点。
近十几年来，由于纳米加工技术的快速发展，可以在人工构筑的纳米***中结合磁性和等离激元两者的性能，从而得到磁光等离激元(MOSPR)纳米结构。在这样的***中，等离激元谐振造成的电磁场增强导致结构磁光性能得到了很大的提高；同时，其表面等离激元的频谱特性又可以通过外加磁场来进行调控，使得MOSPR器件在超高灵敏度的气体和生物传感器、集成光隔离器和磁光调制器等新型的纳米光子器件中具有潜在的应用价值。在表面等离激元传感器件中，由于结构的磁光谱通常比反射或透射谱具有更窄的线宽和更高的优值，MOSPR传感器通常具有更高的信噪比和更低的检测极限。
国际上采用磁光局域等离激元(MO_LSPR)结构，获得了超越LSPR器件的品质因数和监测极限，如Maccaferri,Nicolò等人所设计的玻璃基底自底向上，短程有序的镍圆柱形纳米天线结构。然而，目前的MO-LSPR器件主要采用磁性金属材料，损耗高，器件品质因数低；同时LSPR器件本征的散射损耗依然制约了器件优值。例如在G.Armelles等人的工作中所研究的Au/Co/Au结构，一般通过结构的吸收谱进行传感，吸收峰的半高宽接近100nm，将大大降低器件的优值。同时铁磁金属易于表面氧化，这导致器件在液体环境中的稳定性变差并且主要限制其应用于气体传感。因此发展新型MO-LSPR结构，获得高优值LSPR器件是高灵敏度表面等离激元传感器件的重要研究方向。
发明内容
为解决现有MO-LSPR器件优值不足的问题，本发明提供了一种基于磁光表面等离子体共振的折射率传感器。其磁性材料薄膜为钇铁石榴石(YIG)以及掺铈的钇铁石榴石(Ce:YIG)。
基于磁光表面等离子体共振的折射率传感器，其结构由下至上依次为基底、连续金属薄膜层、介质层和贵金属周期结构层。
连续金属薄膜层的厚度高于电磁波在可见光及近红外波段的穿透深度；介质层自下至上依次包含5nm～8nm的SiO2阻挡层，35nm～40nm的YIG种子层和40nm～60nm的Ce:YIG，介质层总厚度不超过100nm；上层贵金属周期结构厚度为20～30nm。
本发明通过设计介质层进行结构设计，构建了连续金属薄膜层、Ce:YIG薄膜和贵金属周期结构三层结构，从而实现贵金属纳米颗粒局域型表面等离激元和连续金属薄膜层/Ce:YIG界面的传播型表面等离激元共振耦合，利用了Ce:YIG薄膜材料相比于铁磁金属材料，在可见光及近红外波段有着较低的光学损耗，并具有较高的磁光效应以及较高的稳定性。
本发明显著降低了局域等离激元谐振的散射损耗，并实现磁光效应的显着增强，所增强的横向磁光克尔信号(Transverse Magneto-Optical Kerr Effect,TMOKE)绝对值达到0.21。应用这一器件传感，使用磁光氧化物的强磁光效应，即基于TMOKE谱进行传感，器件品质因数达2200RIU-1，显著提高了LSPR传感器的品质因数，相比于传统LSPR器件(≤108RIU-1)提高了20倍以上，并为高品质因数LSPR器件的制备提供了一种新的思路。
附图说明
图1实施例的结构示意图；
图2实施例的截面结构示意图；
图3实施例耦合状态下的磁场|H|及位移电流矢量分布图；
图4实施例在不同折射率下TMOKE的变化；
图5实施例传感灵敏度；
图6实施例传感的品质因数。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
本实施例采用金属-绝缘体-金属(MIM)三明治结构，采用磁性氧化物Ce:YIG作为磁光表面等离子体共振传感器中磁性层材料，整个器件由下至上包括氮化钛薄膜、磁光绝缘层、金纳米盘。氮化钛薄膜厚度为120nm，磁光绝缘层厚度为90nm；金纳米盘厚度为25nm，半径为72nm，周期为600nm的正方形周期结构。
其制备方法如下：
选用石英基片作为基底，采用脉冲激光沉积、磁控溅射和热蒸发的方式对薄膜进行沉积。
步骤1、在双抛的石英基片上，采用脉冲激光PLD技术沉积120nm的氮化钛TiN。
靶材与基片的距离为5.5cm，激光能量密度为3J/cm2，频率为10Hz。氮气气压为0.5Pa。基础气压为1×10-6Pa。沉积温度为800℃。沉积完毕，在氮气气氛下以5℃/min的速率降至室温。
步骤2、在步骤1的基础上，用磁控溅射技术沉积8nm的SiO2。
二氧化硅靶置于射频靶位，设定功率为80w，氩气气压为0.5Pa，溅射速率1.3nm/min，溅射时间为6min10s。
步骤3、在步骤2的基础上，采用脉冲激光PLD技术沉积40nm的YIG。氧气气压为0.67Pa。室温沉积。
步骤4、将步骤3所得到的样品，经快速退火使其结晶。退火的温度为860℃，退火时间为5分钟，退火气氛为氮气。
步骤5、在步骤4的基础上，采用脉冲激光PLD技术沉积50nm的Ce:YIG。氧气气压为1.3Pa。室温沉积。
步骤6、将步骤5所得到的样品，经快速退火使其结晶。退火的温度为860℃，退火时间为5分钟，退火气氛为氮气。
步骤7、在步骤6所得的样品上旋涂PMMA，用电子束光刻技术使其图案化，然后用热蒸发技术沉积2nm铬、25nm金。
步骤8、用丙酮去掉步骤7所得样品的PMMA。得到制备好的器件，如图1所示，截面图如图2所示
测试流程：
用椭偏仪测试所得器件，P偏振光以45°角入射，无外加磁场时，测试器件在600nm-1550nm的反射率R0。外加正负磁场时，耦合模式下实施例的磁场分布如图3所示，可测得反射率R(±H)。定义横向克尔磁光效应(TMOKE):
测试器件传感灵敏度时，改变样品周围气体的折射率，在各折射率下测试TMOKE信号。实施例的TMOKE信号随折射率的偏移如图4所示。其对折射率的敏感度S＝Δλ/Δn约为497.14±10.81nm/RIU，如图5所示。其中Δλ为共振峰位随折射率变化的移动，Δn为入射介质折射率的变化。根据品质因数(Figure of merit)定义：
FoM＝S/Γ
其中Γ为TMOKE谱的线宽。可计算得到器件的品质因数，如图6所示。
综上，本实施提供的基于Au/Ce:YIG/TiN结构的磁光表面等离激元结构。通过调整结构参数，可以在同一波长激励局域型表面等离激元共振(LSPR)和传播型表面等离激元共振(SPP)，从而显著增强结构TMOKE效应，并保持结构对局域折射率变化的传感特性。我们的器件结构能通过调控器件模式耦合和TMOKE磁光光谱特性，实现了高优值折射率传感，为生物医学传感领域提供了新的参考。
Claims (1)
1.一种基于磁光表面等离子体共振的折射率传感器，其特征在于：
结构由下至上依次为基底、连续金属薄膜层、介质层和贵金属周期结构层；
所述连续金属薄膜层的厚度高于电磁波在可见光及近红外波段的穿透深度；介质层自下至上依次包含5nm～8nm的SiO2阻挡层，35nm～40nm的YIG种子层和40nm～60nm的Ce:YIG，介质层总厚度不超过100nm；上层贵金属周期结构厚度为20～30nm；
贵金属周期结构层满足入射光波矢与连续金属薄膜层/Ce:YIG界面的SPP波矢匹配，以激发传播型表面等离激元。
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|---|---|
| CN (1) | CN109900659B (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110174450A (zh) * | 2019-06-21 | 2019-08-27 | 贵州麦可威科技有限公司 | 一种高灵敏度人工等离激元传感器及使用方法 |
| CN111272666A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-06-12 | 电子科技大学 | 一种基于磁光表面等离激元共振的生物蛋白传感器 |
| CN114062316A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-02-18 | 西北工业大学 | 一种基于等离激元纳米腔的高品质光学折射率传感器 |
| CN114295550A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-08 | 电子科技大学长三角研究院(湖州) | 一种基于表面晶格共振的光流控器件及其应用 |
| CN115825013A (zh) * | 2022-10-27 | 2023-03-21 | 厦门大学 | 一种抗氧化纳米等离激元超表面生物传感器及其制备方法 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120105853A1 (en) * | 2009-11-10 | 2012-05-03 | The Regents Of The University Of California | Sensing devices and techniques using 3-d arrays based on surface plasmon excitations |
| US20120273662A1 (en) * | 2011-04-26 | 2012-11-01 | Caldwell Joshua D | Three-dimensional coherent plasmonic nanowire arrays for enhancement of optical processes |
| JP2012255916A (ja) * | 2011-06-09 | 2012-12-27 | National Institute For Materials Science | 磁気光学材料、磁気光学素子、および磁気光学材料の製造方法 |
| US20130141773A1 (en) * | 2011-12-01 | 2013-06-06 | "Factory Of New Materials" Llc | Method of amplifying magneto-optical kerr effect by using photon crystal structures, and photon crystal having amplified magneto-optical kerr effect, method of fabricating photon crystal |
| CN103217402A (zh) * | 2012-01-18 | 2013-07-24 | 精工爱普生株式会社 | 样品分析元件及检测装置 |
| CN103808691A (zh) * | 2014-02-19 | 2014-05-21 | 中国科学院半导体研究所 | 非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器 |
| CN106841119A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-06-13 | 电子科技大学 | 磁光等离子生物传感器 |
| CN106950198A (zh) * | 2017-03-03 | 2017-07-14 | 电子科技大学 | 一种磁光表面等离子体共振传感器 |
| CN108827938A (zh) * | 2018-08-09 | 2018-11-16 | 兰州理工大学 | 基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底 |
-
2019
- 2019-03-20 CN CN201910211190.4A patent/CN109900659B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120105853A1 (en) * | 2009-11-10 | 2012-05-03 | The Regents Of The University Of California | Sensing devices and techniques using 3-d arrays based on surface plasmon excitations |
| US20120273662A1 (en) * | 2011-04-26 | 2012-11-01 | Caldwell Joshua D | Three-dimensional coherent plasmonic nanowire arrays for enhancement of optical processes |
| JP2012255916A (ja) * | 2011-06-09 | 2012-12-27 | National Institute For Materials Science | 磁気光学材料、磁気光学素子、および磁気光学材料の製造方法 |
| US20130141773A1 (en) * | 2011-12-01 | 2013-06-06 | "Factory Of New Materials" Llc | Method of amplifying magneto-optical kerr effect by using photon crystal structures, and photon crystal having amplified magneto-optical kerr effect, method of fabricating photon crystal |
| CN103217402A (zh) * | 2012-01-18 | 2013-07-24 | 精工爱普生株式会社 | 样品分析元件及检测装置 |
| CN103808691A (zh) * | 2014-02-19 | 2014-05-21 | 中国科学院半导体研究所 | 非对称Au粒子阵列和FP腔耦合的折射率传感器 |
| CN106841119A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-06-13 | 电子科技大学 | 磁光等离子生物传感器 |
| CN106950198A (zh) * | 2017-03-03 | 2017-07-14 | 电子科技大学 | 一种磁光表面等离子体共振传感器 |
| CN108827938A (zh) * | 2018-08-09 | 2018-11-16 | 兰州理工大学 | 基于介质光栅-金属薄膜与金属纳米颗粒复合结构的表面增强拉曼散射基底 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| B.F.DIAZ-VALENCIA ET AL.: "Enhanced Transverse Magneto-Optical Kerr Effect in Magnetoplasmonic Crystals for the Design of Highly Sensitive Plasmonic (Bio)sensing Platforms", 《ACS OMEGA》 * |
| KRISTOF LODEWIJKS ET AL.: "Boosting the Figure-Of-Merit of LSPR-Based Refractive Index Sensing by Phase-Sensitive Measurements", 《NANO LETTERS》 * |
| KRISTOF LODEWIJKS ET AL.: "Tuning the Fano Resonance Between Localized and Propagating Surface Plasmon Resonances for Refractive Index Sensing Applications", 《PLASMONICS》 * |
| MIKKO KATAJA ET AL.: "Hybrid plasmonic lattices with tunable magneto-optical activity", 《OPTICAS EXPRESS》 * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110174450A (zh) * | 2019-06-21 | 2019-08-27 | 贵州麦可威科技有限公司 | 一种高灵敏度人工等离激元传感器及使用方法 |
| CN110174450B (zh) * | 2019-06-21 | 2024-03-12 | 贵州民族大学 | 一种高灵敏度人工等离激元传感器及使用方法 |
| CN111272666A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-06-12 | 电子科技大学 | 一种基于磁光表面等离激元共振的生物蛋白传感器 |
| CN111272666B (zh) * | 2020-02-27 | 2022-01-25 | 电子科技大学 | 一种基于磁光表面等离激元共振的生物蛋白传感器 |
| CN114062316A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-02-18 | 西北工业大学 | 一种基于等离激元纳米腔的高品质光学折射率传感器 |
| CN114062316B (zh) * | 2021-11-17 | 2024-04-19 | 西北工业大学 | 一种基于等离激元纳米腔的高品质光学折射率传感器 |
| CN114295550A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-08 | 电子科技大学长三角研究院(湖州) | 一种基于表面晶格共振的光流控器件及其应用 |
| CN115825013A (zh) * | 2022-10-27 | 2023-03-21 | 厦门大学 | 一种抗氧化纳米等离激元超表面生物传感器及其制备方法 |
Also Published As
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|---|---|
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