本申請(qǐng)涉及一種slr光學(xué)傳感器及其制備方法和應(yīng)用，屬于等離子體光電器件和材料制備。

背景技術(shù)：

1、貴金屬(如金、銀、鉑、鈀等)納米粒子在過(guò)去幾十年中因其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)、催化性能和局域表面等離子體共振(lspr)而受到廣泛關(guān)注。特別是，這些納米粒子的表面等離子體共振(spr)峰的特性取決于其組成、尺寸、形狀和局部介電環(huán)境，使得它們?cè)谏瘋鞲衅骱捅砻嬖鰪?qiáng)拉曼光譜等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

2、其中，球形au納米粒子因其化學(xué)穩(wěn)定性和精確的表面等離子體共振峰而受到了廣泛的研究。在大多數(shù)lspr傳感器中，球形au納米粒子的尺寸是固定的，而探針?lè)肿优c傳感器的相互作用會(huì)引起其周?chē)凵渎实淖兓?，從而引起spr峰的靈敏位移。然而，這種spr峰位移仍然相對(duì)較小，導(dǎo)致靈敏度相對(duì)較低。

3、在化學(xué)、工業(yè)、生物傳感和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，折射率的測(cè)量是至關(guān)重要的。然而，目前基于表面等離子體共振(spr)峰的測(cè)量方法存在靈敏度低的問(wèn)題。因此，如何提高折射率測(cè)量的靈敏度成為了一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問(wèn)題，本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N基于表面晶格共振現(xiàn)象的六角密堆積金銀陣列光學(xué)傳感器以及其制備方法，該傳感器能夠通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)偏移來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境折射率的測(cè)量。

2、本申請(qǐng)的一個(gè)方面，提供了一種slr光學(xué)傳感器，所述slr光學(xué)傳感器自上至下，依次為金屬合金超表面層和透明襯底層；

3、所述金屬合金超表面層，由金屬合金半球按照六角密堆積的排列方式形成的周期性陣列結(jié)構(gòu)組成。

4、可選地，所述透明襯底層的介電常數(shù)為1.1～3.0。

5、可選地，所述透明襯底層的透光性為50％～99.9％。

6、可選地，所述金屬合金超表面層上的陣列結(jié)構(gòu)中，晶格間距為d，300nm≤d≤800nm；

7、所述金屬合金半球的直徑為d，100nm≤d≤d。

8、可選地，所述金屬合金半球中的金屬合金包括金、銀、銅、鋁中的至少二種金屬元素。

9、可選地，所述slr光學(xué)傳感器的有效工作光譜為300～800nm。

10、可選地，所述slr光學(xué)傳感器中，金屬合金超表面層的厚度為20～300nm。

11、本申請(qǐng)的另一個(gè)方面，提供一種上述的slr光學(xué)傳感器的制備方法，所述制備方法包括：

12、(1)將聚苯乙烯微球與水混合，獲得自組裝的聚苯乙烯微球溶液；

13、(2)采用液面轉(zhuǎn)移法，在所述透明襯底層上制備具有六角密堆積形狀的二維陣列結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯微球?qū)樱?/p>

14、(3)在所述聚苯乙烯微球?qū)由?，分步沉積相同厚度、不同金屬元素的金屬薄膜；

15、其中，每一步沉積含有一種所述金屬元素的金屬薄膜；

16、(4)在非活性氣氛條件下進(jìn)行退火，獲得所述slr光學(xué)傳感器。

17、可選地，所述聚苯乙烯微球溶液中，所述聚苯乙烯微球的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1％～10％；

18、所述聚苯乙烯微球的直徑為10nm～1000nm。

19、可選地，所述金屬薄膜的厚度為1～50nm。

20、可選地，所述非活性氣氛選自氬氣、氮?dú)庵械闹辽僖环N；

21、所述退火的溫度為500℃～1200℃；

22、所述退火的時(shí)間為2h～12h。

23、作為一種具體的實(shí)施方式，所述slr光學(xué)傳感器的制備方法包括：

24、1、先準(zhǔn)備一片具有適當(dāng)介電常數(shù)的透明介質(zhì)，需提前進(jìn)行理論計(jì)算以確定其參數(shù)。

25、2、準(zhǔn)備大小和濃度適當(dāng)?shù)木郾揭蚁┪⑶蛉芤骸?/p>

26、3、將聚苯乙烯微球以六角密堆積的形式分布在襯底表面。

27、4、利用高精度鍍膜工藝將相同厚度的金銀薄膜沉積在樣品表面。

28、5、在氬氣氛圍下進(jìn)行高溫退火。

29、作為一種具體的實(shí)施方式，本申請(qǐng)涉及一種基于鈦酸鍶單晶襯底的金銀陣列金屬超表面結(jié)構(gòu)光學(xué)傳感芯片，所述的傳感器從上到下可以細(xì)分為金銀陣列金屬超表面，鈦酸鍶襯底層。其中，金銀陣列由金銀半球組成，形成六角密堆積的周期性結(jié)構(gòu)。鈦酸鍶襯底需要具有適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)和透光性。當(dāng)探測(cè)光垂直入射到光學(xué)芯片上，通過(guò)測(cè)量光學(xué)芯片的消光光譜，可以得到消光光譜上與環(huán)境折射率相關(guān)的峰值位移，從而測(cè)量環(huán)境折射率的變化。

30、本發(fā)明提出的光學(xué)芯片具體參數(shù)為：鈦酸鍶單晶的尺寸為5×5×0.1mm，為雙拋單晶片。金銀陣列由直徑為120nm的金銀合金半球組成，以六角密堆積的周期性結(jié)構(gòu)均勻分布在鈦酸鍶單晶表面。光學(xué)芯片的有效工作光譜范圍為400nm-800nm。

31、本申請(qǐng)的再一個(gè)方面，提供一種上述的slr光學(xué)傳感器在檢測(cè)環(huán)境折射率中的應(yīng)用。

32、本申請(qǐng)的又一個(gè)方面，提供一種檢測(cè)環(huán)境折射率的方法，使用上述的slr光學(xué)傳感器；

33、所述方法包括：

34、(1)將所述slr光學(xué)傳感器分別置于不同折射率的環(huán)境下，經(jīng)入射光源照射后，測(cè)得不同衍射峰λ；

35、(2)根據(jù)瑞利異常公式，計(jì)算不同衍射峰λ下的環(huán)境折射率，擬合獲得環(huán)境折射率和峰值偏移量的線(xiàn)性關(guān)系；

36、其中，瑞利異常的公式為：

37、

38、其中，d為晶格間距，n1為環(huán)境折射率，n2為襯底折射率，m、l為不同的衍射模式級(jí)數(shù)，θ為入射角度，c為常數(shù)；

39、(3)將所述slr光學(xué)傳感器置于待測(cè)環(huán)境中，經(jīng)入射光源照射后，測(cè)量獲得峰值偏移量，根據(jù)步驟(2)獲得的線(xiàn)性關(guān)系，獲得待測(cè)環(huán)境的折射率；

40、其中，所述入射光為線(xiàn)偏振光，所述入射光的偏振方向與金屬合金半球排列的方向相同。

41、本申請(qǐng)能產(chǎn)生的有益效果包括：

42、相比傳統(tǒng)基于等離激元的折射率測(cè)量手段，本申請(qǐng)所提供的檢測(cè)方法具有以下有益效果：

43、(1)提高了測(cè)量精度，靈敏度達(dá)到了396.95(nm/riu)；

44、(2)擴(kuò)大了測(cè)量范圍，具體環(huán)境折射率可以從1.0-2.0進(jìn)行探測(cè)；

45、(3)提高了測(cè)量效率，只需要將待測(cè)樣品放入樣品池，測(cè)得衍射峰的改變量，就能通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，快速得到折射率的具體值；

46、(4)節(jié)約成本：由于提高了測(cè)量效率和精度，該光學(xué)器件可能能夠節(jié)約在測(cè)量過(guò)程中所需的資源，從而降低了測(cè)量成本。

技術(shù)特征：

1.一種slr光學(xué)傳感器，其特征在于，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的slr光學(xué)傳感器，其特征在于，

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的slr光學(xué)傳感器，其特征在于，

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的slr光學(xué)傳感器，其特征在于，

5.一種權(quán)利要求1～4任一項(xiàng)所述的slr光學(xué)傳感器的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，

9.一種權(quán)利要求1～4任一項(xiàng)所述的slr光學(xué)傳感器在檢測(cè)環(huán)境折射率中的應(yīng)用。

10.一種檢測(cè)環(huán)境折射率的方法，其特征在于，使用權(quán)利要求1～4任一項(xiàng)所述的slr光學(xué)傳感器；

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)公開(kāi)了一種SLR光學(xué)傳感器及其制備方法和應(yīng)用，所述SLR光學(xué)傳感器自上至下，依次為金屬合金超表面層和透明襯底層；所述金屬合金超表面層，由金屬合金半球按照六角密堆積的排列方式形成的周期性陣列結(jié)構(gòu)組成。相比傳統(tǒng)基于等離激元的折射率測(cè)量手段，本申請(qǐng)所提供的檢測(cè)方法提高了測(cè)量精度，靈敏度達(dá)到了396.95(nm/RIU)；擴(kuò)大了測(cè)量范圍，具體環(huán)境折射率可以從1.0?2.0進(jìn)行探測(cè)；提高了測(cè)量效率，只需要將待測(cè)樣品放入樣品池，測(cè)得衍射峰的改變量，就能通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，快速得到折射率的具體值。

技術(shù)研發(fā)人員：李燦,朱前紅,范峰滔
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10