一種全波長局域等離子體諧振傳感器及其制備方法
【專利說明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，涉及一種在紫外-可見-近紅外光區(qū)全 波長范圍內(nèi)都存在局域等離子諧振峰的傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 金屬納米顆粒或者陣列基底無需耦合棱鏡、光波導(dǎo)或者衍射光柵，即可實(shí)現(xiàn)入射 光波動量與表面等離子體波的相匹配，在特定波段入射光下，穩(wěn)定的激發(fā)表面等離子體，并 將入射光局域在亞波長尺度的區(qū)域內(nèi)，這一現(xiàn)象稱為局域等離子體諧振現(xiàn)象，被廣泛應(yīng)用 于折射率傳感、表面增強(qiáng)熒光、表面增強(qiáng)拉曼散射以及非線性增強(qiáng)領(lǐng)域。到目前為止，局域 表面等離子體傳感研宄大部分集中在金、銀等貴金屬材料。金是一種很穩(wěn)定的抗氧化材料， 而銀雖然相對容易氧化，但是其等離子體諧振峰較窄。金銀納米結(jié)構(gòu)材料由于本身等離子 體共振頻率的限制，其諧振峰位于可見光和紅外光區(qū)。但是隨著科學(xué)研宄的進(jìn)展，局域等離 子體諧振折射率傳感渴求位于全波長范圍內(nèi)等離子諧振峰的存在，以滿足不同應(yīng)用對波長 的要求。
[0004] 近年來，鋁納米結(jié)構(gòu)的局域等離子體共振愈發(fā)吸引人們的目光。鋁等離子體本身 等離子體共振頻率極高，擁有位于紫外至藍(lán)光區(qū)的等離子體的共振。這使得更有利于鋁等 離子體材料應(yīng)用于表面增強(qiáng)熒光和增強(qiáng)拉曼散射，因?yàn)橛袡C(jī)分子電子躍迀能量正好位于這 一波長范圍。此外，相比于貴金屬等離子體材料，鋁還擁有原料成本低廉，自然界存儲量大， 易于加工處理，且和互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體材料的加工兼容。因此，鋁納米材料在等離子 體諧振領(lǐng)域得以廣泛關(guān)注。
[0005] 但是，現(xiàn)有的技術(shù)獲得的鋁等離子體材料，一方面只存在短波長(小于600 nm)范 圍內(nèi)的等離子體共振峰，另一方面由于鋁材料本身易于氧化等因素，折射率靈敏度比通常 的金銀材料低三至四倍。這些缺點(diǎn)極大地限制了鋁納米結(jié)構(gòu)在生化傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有鋁等離子體材料的缺陷，提供一種擁有全波 長范圍內(nèi)局域等離子體諧振峰的鋁納米材料基底用于傳感，并實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)均一、大面積的 制造。
[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種全波長局域等離子體諧振傳感器。
[0008] 本發(fā)明的另一目的是提供上述全波長局域等離子體諧振傳感器的制備方法。
[0009] 本發(fā)明上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 本發(fā)明提供一種全波長局域等離子體諧振傳感器，其特征在于，該傳感器是一種表面 結(jié)構(gòu)為周期排列的納米錐體陣列的鋁膜。所述的納米錐體為鋁膜表面周期排列的平滑凹陷 交錯形成的。鋁膜在有氧環(huán)境中會氧化形成一層致密且穩(wěn)定的氧化膜。所述的納米錐體陣 列的椎體優(yōu)選為正方形的四角錐，錐體的頂部為凸四方形。
[0010] 優(yōu)選的、鋁膜表面的納米錐體陣列或平滑凹陷陣列是四方晶格，三角晶格或六角 晶格排列的。
[0011] 本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種上述全波長局域等離子體諧振傳感器的制備方法，該方 法可實(shí)現(xiàn)本傳感器結(jié)構(gòu)均一，大面積的制備。具體包括以下步驟： 51. 將表面有周期性凸起的硅模板平行的放置在平坦干凈的鋁膜表面，施加一定壓力， 均勻壓印出納米凹坑； 52. 將壓印后的鋁膜連接在電化學(xué)工作站上作為工作電極，在檸檬酸，乙二醇和磷酸混 合溶液中，在一定電壓下陽極氧化1〇~50 min，氧化層即隨著壓印的形狀近乎垂直的方向生 長； 53. 用磷酸和鉻酸的混合溶液溶解清洗鋁片表面的氧化鋁后在一定溫度下清洗30~60 min，即可獲得全波長局域等離子體諧振傳感器。
[0012] 步驟Sl所使用的硅模版是由成熟的微納加工技術(shù)獲得，優(yōu)選的，可以為電子束直 寫技術(shù)或者光刻技術(shù)。
[0013] 優(yōu)選的，硅片表面的凸起是四方晶格，三角晶格或六角晶格周期排列的，并決定了 最終獲得的鋁納米錐體結(jié)構(gòu)的周期。
[0014] 優(yōu)選的，通過調(diào)節(jié)步驟S2和S3中的溶液濃度以及加工操作時的溫度和時間，可以 有效的調(diào)整本發(fā)明傳感器表面納米錐體陣列的大小和高度。
[0015] 本發(fā)明所述全波長局域等離子體諧振傳感器在生化傳感中的應(yīng)用也在本發(fā)明的 范圍之內(nèi)。
[0016] 生化傳感應(yīng)用是指利用本發(fā)明的傳感器在全波長范圍內(nèi)存在的等離子體諧振峰， 可應(yīng)用于高靈敏度折射率傳感、表面增強(qiáng)熒光或者表面增強(qiáng)拉曼散射等。
[0017] 最重要的是，本發(fā)明所述的全波長局域等離子體諧振傳感器在折射率傳感中的應(yīng) 用。
[0018] 本發(fā)明全波長局域等離子體諧振傳感器在折射率傳感的檢測原理是：金屬局域表 面等離子體對于周圍環(huán)境折射率非常敏感。當(dāng)傳感器表面折射率發(fā)生變化時，其局域等離 子體諧振峰也會隨之發(fā)生移動，且峰位移與周圍環(huán)境折射率呈線性關(guān)系。通過監(jiān)控特征峰 的位移、特定波長的透射強(qiáng)度或者不同偏振光光譜相位差，即可計算出溶液折射率的變化， 進(jìn)而對溶液濃度和溶液中生物反應(yīng)進(jìn)行檢測或監(jiān)控。
[0019] 本發(fā)明具有以下有益效果： 本發(fā)明提供了一種全波長局域等離子體諧振傳感器，通過調(diào)整入射角度、錐體三位尺 寸，和錐體排列周期的大小，可以獲得全波長范圍內(nèi)的局域表面等離子體共振峰和極高的 折射率靈敏度，按照不同需求應(yīng)用于高靈敏度折射率傳感、表面增強(qiáng)熒光或者表面增強(qiáng)拉 曼散射等。
[0020] 本發(fā)明傳感器采用鋁作為基底材料，與傳統(tǒng)貴金屬材料相比，除了具有在紫外藍(lán) 光區(qū)域的局域等離子體諧振這一特點(diǎn)外，還擁有成本低廉，易于加工，且和互補(bǔ)型金屬氧化 物半導(dǎo)體材料加工技術(shù)相融合的優(yōu)點(diǎn)。
[0021] 另外，本發(fā)明的傳感器由于存在全波長范圍的局域等離子體諧振峰，因此可以按 照不同的需求，對不同波長位置的峰加以應(yīng)用。在高靈敏度折射率傳感、表面增強(qiáng)熒光或者 表面增強(qiáng)拉曼散射等傳感領(lǐng)域具有極高的潛在應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明方法所制得的全波長局域等離子體諧振傳感器的三維示意圖。
[0023] 圖2為本發(fā)明方法所制得的全波長局域等離子體諧振傳感器的縱剖面結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0024] 圖3為本發(fā)明所述制備方法的實(shí)施例1的制備流程圖。
[0025] 圖4為本發(fā)明方法所制得的全波長局域等離子體諧振傳感器的側(cè)視掃描電鏡圖 片。
[0026] 圖5為本發(fā)明方法所制得的全波長局域等離子體諧振傳感器的俯視掃描電鏡圖 片。
[0027] 圖6為本發(fā)明全波長局域等離子體諧振傳感器的反射型光學(xué)檢測系統(tǒng)示意圖。
[0028] 圖7為本發(fā)明傳感器在不同角度擁有全波長范圍內(nèi)局域等離子諧振峰的反射光 譜。
[0029] 以上圖1~圖6中，1為鋁膜，2為氧化鋁，3為入射光源，4為光學(xué)檢測器。
[0030]
【具體實(shí)施方式】
[0031] 以下結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但實(shí)施例并不對本發(fā)明 做任何形式的限定。除非特別說明，本發(fā)明采用的試劑、方法和設(shè)備為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)試 劑、方法和設(shè)備。
[0032] 除非特別說明，以下實(shí)施例中所采用的試劑和材料均為市購。