基于介質(zhì)-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的超材料光學(xué)傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于介質(zhì)-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的超材料光學(xué)傳感器及其制備方法，其特征在于：在基底上從下至上依次疊加設(shè)置有金屬薄膜、介質(zhì)層和周期性介質(zhì)單元陣列。本發(fā)明的超材料光學(xué)傳感器具有很低的熱阻尼(相當(dāng)于國際產(chǎn)品的1/100以下)，且具有很高的折射率靈敏度和品質(zhì)因數(shù)(一般情況下高于國際產(chǎn)品2-3倍)。
【專利說明】基于介質(zhì)-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的超材料光學(xué)傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)傳感器，更具體的說是涉及一種超材料光學(xué)傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)傳感器在科研實(shí)踐和軍事斗爭的多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，比如在環(huán)境能源、生物科技和光學(xué)成像領(lǐng)域。在具體的應(yīng)用中，對極小的環(huán)境折射率的變化有明顯的光學(xué)響應(yīng)(主要指反射或透射)是對光學(xué)傳感器的實(shí)際挑戰(zhàn)。光學(xué)傳感器的性質(zhì)一般用折射率靈敏度(Refractive index sensitivity, RIS)和品質(zhì)因數(shù)(Figure of merit, FOM)來表征。其中FOM = RIS/FWHM(頻譜半高寬)。
[0003]近年來，超材料由于具備獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)越來越引起科技界的重視。而超材料的一個(gè)重要應(yīng)用方向——超材料光學(xué)傳感器，甚至可以用來探測環(huán)境中單個(gè)分子的變化，為超精確成像奠定了基礎(chǔ)。
[0004]目前超材料光學(xué)傳感器絕大部分都是基于金屬-介質(zhì)-金屬(M-1-M)的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。但相對于微波波段，金屬在可見光和紅外波段對光有較大的吸收率，因此傳感器的熱阻尼較大，傳感器的光頻譜半高寬也會(huì)因此較大，導(dǎo)致FOM較小。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種基于介質(zhì)-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的新型超材料光學(xué)傳感器，以期可以有效降低器件的熱阻尼，從而提高器件的品質(zhì)因數(shù)。
[0006]本發(fā)明為解決技術(shù)問題，采用如下技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明基于介質(zhì)-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的超材料光學(xué)傳感器，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于:在基底上從下至上依次疊加設(shè)置有金屬薄膜、介質(zhì)層和周期性介質(zhì)單元陣列。
[0008]基底只是起物理支撐的作用，因此可以選擇多種材料，例如玻璃片、硅片、塑料、陶瓷、金屬、木材等。
[0009]優(yōu)選的，所述金屬薄膜為金薄膜、銀薄膜、銅薄膜、鋁薄膜、或鉬薄膜。
[0010]優(yōu)選的，所述介質(zhì)層為二氧化硅薄膜、氧化鋁薄膜、氟化鎂薄膜或碳化硅薄膜。
[0011]優(yōu)選的，所述周期性介質(zhì)單元陣列為氮化硅點(diǎn)陣、碳化硅點(diǎn)陣、氧化鋁點(diǎn)陣或氟化鎂點(diǎn)陣。
[0012]優(yōu)選的，所述周期性介質(zhì)單元陣列的周期不小于400nm。
[0013]介質(zhì)單元在入射光電場的作用下產(chǎn)生的強(qiáng)烈的電偶極子共振。這種電偶極子共振的位移電流在單元內(nèi)部產(chǎn)生磁場。根據(jù)楞次定律，磁場的出現(xiàn)會(huì)在單元內(nèi)感生出一個(gè)磁偶極子以抵消磁場。這個(gè)磁偶極子由兩個(gè)方向相反的極化電流構(gòu)成。單元下表面的極化電流產(chǎn)生束縛極化電荷的分布。這種束縛極化電荷會(huì)在金屬薄膜的上表面產(chǎn)生鏡像電荷。介質(zhì)單元下表面極化電流隨時(shí)間的變化導(dǎo)致束縛極化電荷分布的振蕩。這種振蕩引起金屬薄膜上表面自由極化電荷的集體振蕩。從而產(chǎn)生表面等離激元。根據(jù)以上的分析,入射光會(huì)被局域在超材料內(nèi)部，從而在反射光譜中出現(xiàn)一個(gè)谷。谷的位置隨周圍環(huán)境折射率的變化而變化。根據(jù)這個(gè)性質(zhì)，可以制成超材料光學(xué)傳感器。當(dāng)周期小于400nm時(shí)，傳感器的工作波長會(huì)落在紫外波段。當(dāng)介質(zhì)層厚度變化時(shí)，超材料光學(xué)傳感器的反射谷位置會(huì)出現(xiàn)些微的紅移。
[0014]本發(fā)明超材料光學(xué)傳感器的優(yōu)選設(shè)計(jì)為:
[0015]一、所述基底為玻璃片，所述金屬薄膜為金薄膜，所述介質(zhì)層為二氧化硅薄膜，所述周期性介質(zhì)單元陣列為長方體氮化硅單元四方點(diǎn)陣。
[0016]二、所述基底為單晶硅片，所述金屬薄膜為銀薄膜，所述介質(zhì)層為氧化鋁薄膜，所述周期性介質(zhì)單元陣列為長方體狀碳化硅單元四方點(diǎn)陣。
[0017]三、所述基底為玻璃片，所述金屬薄膜為銅薄膜，所述介質(zhì)層為氧化鋁薄膜，所述周期性介質(zhì)單元陣列為長方體狀氮化硅單元四方點(diǎn)陣。
[0018]四、所述基底為單晶硅，所述金屬薄膜為鉬薄膜，所述介質(zhì)層為氧化鋁薄膜，所述周期性介質(zhì)單元陣列為長方體狀碳化硅單元四方點(diǎn)陣。
[0019]本發(fā)明所述超材料光學(xué)傳感器的制備方法，其特點(diǎn)在于按如下步驟進(jìn)行:
[0020]a、將基底置于去離子水中超聲清洗5-20分鐘，以去除表面的雜質(zhì)；
[0021]b、通過磁控濺射法或熱蒸發(fā)法在基底的上表面蒸鍍金屬薄膜，厚度優(yōu)選為30nm-300nm 厚的；
[0022]C、通過磁控濺射法在所述金屬薄膜上蒸鍍介質(zhì)層，介質(zhì)層的厚度優(yōu)選為20nm-200nm ；
[0023]d、通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在介質(zhì)層上沉積上表面介質(zhì)層，然后通過激光劃線法或紫外光刻法將上表面介質(zhì)層構(gòu)造為周期不小于400nm周期性介質(zhì)單元陣列。
[0024]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0025]1、本發(fā)明的超材料光學(xué)傳感器具有很低的熱阻尼(相當(dāng)于國際產(chǎn)品的1/100以下)，且具有很高的折射率靈敏度和品質(zhì)因數(shù)(一般情況下高于國際產(chǎn)品2-3倍)；國際產(chǎn)品的光學(xué)傳感器的折射率靈敏度是200-300nm/RIU，品質(zhì)因數(shù)為5-10RIU—1。
[0026]2、本發(fā)明的超材料光學(xué)傳感器設(shè)計(jì)簡明、結(jié)構(gòu)新穎，且工藝簡單、價(jià)格低廉，并不局限于某個(gè)材料，拓展了超材料光學(xué)傳感器的應(yīng)用范圍；
[0027]3、本發(fā)明的超材料光學(xué)傳感器可以通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)(點(diǎn)陣周期，單元大小，和介質(zhì)層厚度)改變工作波長范圍，具有良好的適應(yīng)性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明超材料光學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的超材料光學(xué)傳感器反射谷波長位置隨環(huán)境折射率變化的線性擬合圖；
[0030]圖3為本發(fā)明實(shí)施例2所制備的超材料光學(xué)傳感器反射谷波長位置隨環(huán)境折射率變化的線性擬合圖；
[0031]圖4為本發(fā)明實(shí)施例3所制備的超材料光學(xué)傳感器反射谷波長位置隨環(huán)境折射率變化的線性擬合圖；
[0032]圖5為本發(fā)明實(shí)施例4所制備的超材料光學(xué)傳感器反射谷波長位置隨環(huán)境折射率變化的線性擬合圖；
[0033]圖中標(biāo)號:1基底；2金屬薄膜；3介質(zhì)層；4周期性介質(zhì)單元陣列。
具體實(shí)施例
[0034]實(shí)施例1
[0035]如圖1所示，本實(shí)施例以玻璃片為基底、以金薄膜為金屬薄膜、以二氧化硅薄膜為介質(zhì)層，且以長方體狀氮化硅單元四方點(diǎn)陣為周期性介質(zhì)單元陣列，按如下步驟制備超材料光學(xué)傳感器:
[0036](I)將玻璃片拋光并置于去離子水中超聲清洗10分鐘，以去除表面的雜質(zhì)；
[0037](2)在清洗后的玻璃片上用磁控濺射法鍍上200nm厚的金薄膜，濺射過程中，真空度是10_4Pa、濺射功率是38W、起輝壓強(qiáng)是3Pa、濺射壓強(qiáng)是6Pa、反射比是1.3 ；
[0038](3)在金薄膜上用磁控濺射鍍上50nm厚的二氧化硅薄膜，濺射過程中，真空度是10_3Pa，濺射功率是80W、起輝壓強(qiáng)是3Pa、濺射壓強(qiáng)是5Pa、反射比是1.3 ；
[0039](4)在二氧化硅薄膜上用PECVD法制備厚度為50nm的氮化硅薄膜，沉積過程中，微波工作頻率為2.45GHz，功率為2800W，本底真空度為10_2Pa，反應(yīng)氣體流量比為1/2 ;在氮化硅薄膜上用激光劃線構(gòu)造長和寬為200nm、高為50nm、劃線寬度為200nm、周期為600nm的長方體狀氮化硅單元四方點(diǎn)陣，劃線過程中，激光功率是20W、運(yùn)行速度是1000nm/S、刻線直線度是10 μ m/1000mm。
[0040]本實(shí)施例中所用的金屬薄膜為金薄膜，但是只要第三層薄膜中有大量自由電子就可以使反射譜中有谷。因此許多金屬薄膜都是可以采用的，如銀、銅、鋁、鉬。制成的實(shí)施例樣品因?yàn)橹挥幸粚邮墙饘伲虼吮冉饘?介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的超材料光學(xué)傳感器熱阻尼小很多，導(dǎo)致FOM得到很大提升。
[0041]圖2為本實(shí)施例所制備的超材料光學(xué)傳感器反射谷波長隨環(huán)境折射率變化的線性擬合圖；從圖中可以看出反射谷位置隨環(huán)境折射率變化而紅移。每單位折射率的改變導(dǎo)致反射谷位置紅移268nm。由于反射谷半高寬還有12.6nm。因此，F(xiàn)OM = 21.2RIU'
[0042]實(shí)施例2
[0043]本實(shí)施例以單晶硅為基底、以銀薄膜為金屬薄膜、以氧化鋁薄膜為介質(zhì)層，且以長方體狀碳化硅單元四方點(diǎn)陣為周期性介質(zhì)單元陣列，按如下步驟制備超材料光學(xué)傳感器:
[0044](I)將單晶硅拋光并置于去離子水中超聲清洗10分鐘，以去除表面的雜質(zhì)；
[0045](2)在清洗后的硅基底上用熱蒸發(fā)法鍍上300nm厚的銀薄膜，蒸發(fā)過程中，電流為20A，真空度是KT3Pa ；
[0046](3)在銀薄膜上用直流電磁控濺射生長50nm厚的氧化鋁薄膜，濺射過程中，濺射過程中，真空度是10_3Pa，濺射功率是60W、起輝壓強(qiáng)是3Pa、濺射壓強(qiáng)是6Pa、反射比是1.2 ;
[0047](4)在二氧化硅薄膜上用PECVD法制備厚度為50nm的碳化硅薄膜，沉積過程中，微波工作頻率為2.45GHz，功率為2800W，本底真空度為10_4Pa，反應(yīng)氣體流量比為1/2 ；在碳化娃薄膜上用激光劃線構(gòu)造長和寬為200nm、高為50nm、周期為600nm的長方體狀碳化硅單元四方點(diǎn)陣，劃線過程中，激光功率是20W，運(yùn)行速度是1000nm/S，刻線直線度是10 μ m/1 OOOmnin
[0048]圖3為本實(shí)施例所制備的超材料光學(xué)傳感器反射谷波長隨環(huán)境折射率變化的線性擬合圖；從圖中可以看出本實(shí)施例所得傳感器的折射率靈敏度(RIS)是953.2nm/RIU，品質(zhì)因數(shù)為37.2RIU—1。
[0049]實(shí)施例3
[0050]本實(shí)施例以玻璃片為基底、以銅薄膜為金屬薄膜、以氧化鋁薄膜為介質(zhì)層，且以長方體狀氮化硅單元四方點(diǎn)陣為周期性介質(zhì)單元陣列，按如下步驟制備超材料光學(xué)傳感器:
[0051](I)將玻璃片拋光并置于去離子水中超聲清洗10分鐘，以去除表面的雜質(zhì)；
[0052](2)在清洗后的玻璃片上用熱蒸發(fā)法鍍上300nm厚的銅薄膜，蒸發(fā)過程中，電流為20A，真空度是KT3Pa ；
[0053](3)在銅薄膜上用直流磁控濺射法生長IOOnm厚的氧化鋁薄膜，濺射過程中，濺射功率是60W、起輝Ar氣壓強(qiáng)是3Pa、濺射壓強(qiáng)是6Pa、反射比是1.2 ；
[0054](4)在二氧化硅薄膜上用PECVD法制備厚度為50nm的氮化硅薄膜，沉積過程中，微波工作頻率為2.45GHz，功率為2800W，本底真空度為10_4Pa，反應(yīng)氣體流量比為1/2 ;在氮化娃薄膜上用紫外光刻法構(gòu)造長和寬為200nm、高為50nm、周期為600nm長方體狀氮化娃單元四方點(diǎn)陣，紫外光刻時(shí)，旋涂光刻膠15分鐘，每分鐘5000轉(zhuǎn)，在85度環(huán)境中烘干，曝光時(shí)間為10分鐘。
[0055]圖4為本實(shí)施例所制備的超材料光學(xué)傳感器反射谷波長隨環(huán)境折射率變化的線性擬合圖；從圖中可以看出本實(shí)施例所制備的傳感器的折射率靈敏度(RIS)為400nm/RIU，品質(zhì)因數(shù)為62.3RIU'
[0056]實(shí)施例4
[0057]本實(shí)施例以單晶硅為基底、以鉬薄膜為金屬薄膜、以氧化鋁薄膜為介質(zhì)層，且以長方體狀碳化硅單元四方點(diǎn)陣為周期性介質(zhì)單元陣列，按如下步驟制備超材料光學(xué)傳感器:
[0058](I)將單晶硅拋光并置于去離子水中超聲清洗10分鐘，以去除表面的雜質(zhì)；
[0059](2)在清洗后的硅基底上用熱蒸發(fā)法鍍上300nm厚的鉬薄膜，蒸發(fā)過程中，電流為20A，真空度是KT3Pa ；
[0060](3)在鉬薄膜上用直流電磁控濺射生長50nm厚的氧化鋁薄膜，濺射過程中，濺射過程中，真空度是10_3Pa，濺射功率是60W、起輝壓強(qiáng)是3Pa、濺射壓強(qiáng)是6Pa、反射比是1.2 ;
[0061](4)在二氧化硅薄膜上用PECVD法制備厚度為50nm的碳化硅薄膜，沉積過程中，微波工作頻率為2.45GHz，功率為2800W，本底真空度為10_4Pa，反應(yīng)氣體流量比為1/2 ；在碳化娃薄膜上用激光劃線構(gòu)造長和寬為200nm、高為50nm、周期為600nm的長方體狀碳化硅單元四方點(diǎn)陣，劃線過程中，激光功率是40W，運(yùn)行速度是3000nm/s，刻線直線度是10 μ m/1 OOOmnin
[0062]圖5為本實(shí)施例所制備的超材料光學(xué)傳感器反射谷波長隨環(huán)境折射率變化的線性擬合圖；從圖中可以看出本實(shí)施例所制備的傳感器的折射率靈敏度(RIS)為512nm/RIU，品質(zhì)因數(shù)為73.3RIU'
【權(quán)利要求】
1.基于介質(zhì)-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的超材料光學(xué)傳感器，其特征在于:在基底(I)上從下至上依次疊加設(shè)置有金屬薄膜(2)、介質(zhì)層(3)和周期性介質(zhì)單元陣列(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料光學(xué)傳感器，其特征在于:所述金屬薄膜為金薄膜、銀薄膜、銅薄膜、鋁薄膜、或鉬薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料光學(xué)傳感器，其特征在于:所述介質(zhì)層為二氧化硅薄膜、氧化鋁薄膜、氟化鎂薄膜或碳化硅薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料光學(xué)傳感器，其特征在于:所述周期性介質(zhì)單元陣列為氮化硅點(diǎn)陣、碳化硅點(diǎn)陣、氧化鋁點(diǎn)陣或氟化鎂點(diǎn)陣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的超材料光學(xué)傳感器，其特征在于:所述周期性介質(zhì)單元陣列的周期不小于400nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料光學(xué)傳感器，其特征在于:所述基底(I)為玻璃片，所述金屬薄膜(2)為金薄膜，所述介質(zhì)層(3)為二氧化硅薄膜，所述周期性介質(zhì)單元陣列(4)為長方體氮化硅單元四方點(diǎn)陣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料光學(xué)傳感器，其特征在于:所述基底(I)為單晶硅，所述金屬薄膜(2)為銀薄膜，所述介質(zhì)層(3)為氧化鋁薄膜，所述周期性介質(zhì)單元陣列(4)為長方體狀碳化硅單元四方點(diǎn)陣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料光學(xué)傳感器，其特征在于:所述基底(I)為玻璃片，所述金屬薄膜(2)為銅薄膜，所述介質(zhì)層(3)為氧化鋁薄膜，所述周期性介質(zhì)單元陣列(4)為長方體狀氮化硅單元四方點(diǎn)陣。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超材料光學(xué)傳感器，其特征在于:所述基底(I)為單晶硅，所述金屬薄膜(2)為鉬薄膜，所述介質(zhì)層(3)為氧化鋁薄膜，所述周期性介質(zhì)單元陣列(4)為長方體狀碳化硅單元四方點(diǎn)陣。
10.一種權(quán)利要求1至9任意一項(xiàng)所述超材料光學(xué)傳感器的制備方法,其特征在于按如下步驟進(jìn)行: a、將基底(I)置于去離子水中超聲清洗，以去除表面的雜質(zhì)； b、通過磁控濺射法或熱蒸發(fā)法在基底的上表面蒸鍍金屬薄膜(2); C、通過磁控濺射法在所述金屬薄膜上蒸鍍介質(zhì)層(3)； d、通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在介質(zhì)層(3)上沉積上表面介質(zhì)層，然后通過激光劃線法或紫外光刻法將上表面介質(zhì)層構(gòu)造為周期性介質(zhì)單元陣列(4)。
【文檔編號】H01L31/02GK103996719SQ201410209198
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月16日
【發(fā)明者】邵偉佳, 許小亮, 李為民, 吳以治, 王會(huì)杰, 郁菁 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)