基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器制造技术

本发明专利技术属于等离激元传感领域，公开了基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器。本发明专利技术由单层石墨烯和均匀分布的非对称金纳米天线阵列构成，主要应用在近红外和中远红外两个波段，用于灵敏的探测周围环境折射率的改变。克服了传统的等离激元传感器只能工作在单一波段或者波段较窄的问题，同时利用非对称金纳米天线阵列有利于增加共振Q值提高传感器灵敏度。本发明专利技术具有重要的工程实用意义，在医疗健康、安全、环境质量的监控等领域具有广阔的推广应用前景。

Dual band plasmon sensor based on Au nanoantenna / graphene structure

The invention belongs to the field of plasmon sensor, and discloses a dual band plasmon sensor based on gold nano antenna / graphene structure. The invention is composed of a single layer of graphene and an asymmetric gold nano antenna array with uniform distribution, which is mainly used in the near infrared and mid far infrared wave bands for sensitive detection of changes in the refractive index of the surrounding environment. It overcomes the problem that the traditional plasmon sensor can only work in a single band or narrow band. At the same time, the use of asymmetric gold nano antenna array is conducive to increase the resonance Q value and improve the sensitivity of the sensor. The invention has important engineering practical significance and has broad application prospects in the fields of medical health, safety, environmental quality monitoring, etc.

【技术实现步骤摘要】
基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器
本专利技术属于等离激元传感领域，具体是基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器，是应用在近红外和中远红外波段的光学传感器，用于灵敏的探测周围环境折射率的改变。
技术介绍
金属表面等离激元已经在光子操纵、热辐射调控、非线性光学和生物传感等方面有非常大的应用，表面等离激元具备亚波长空间局域能力，对周围媒质的变化很敏感，可以实现免标记、高灵敏度、实时检测、无损伤传感。传统的表面等离激元传感器主要基于金属纳米结构，工作在可见光或者近红外波段。在太赫兹和中远红外波段，石墨烯可以支持表面等离激元极化模式产生较强的光与石墨烯的相互作用。TobiasWenger等人在(“High-sensitivityplasmonicrefractiveindexsensingusinggraphene”,IOPPublishing2DMater.4(2017)025103)文献中实现基于石墨烯表面等离激元的微纳传感，同时改变石墨烯的掺杂浓度可以调节石墨烯等离子体频率。但是在可见光和近红外波段，石墨烯却表现为一层吸收损耗介质，并不能展现出光谱选择性。针对传统的等离激元传感器只能工作在单一波段或者波段较窄的问题，本专利技术采用不对称金属纳米天线阵列/石墨烯混合结构，使得可以同时工作在近红外与中远红外波段，同时利用非对称金纳米天线阵列有利于增加共振Q值提高传感器灵敏度。由于在生物化学传感领域，大多数的技术应用和传统光学器件的受限光波波段主要集中在红外区域，例如2～20微米主要用来做化学材料分子表征、超灵敏生物指纹探测，1～3微米、3～5微米和8～12微米波段主要用在热成像方面，本专利技术设计的双波段传感器将对医疗健康、安全、环境质量的监控起到很大的帮助。
技术实现思路
为了解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案如下：基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器，所述双波段等离激元传感器由在工作波段对光波透明的基底、在基底上平铺的单层石墨烯和均匀分布的非对称金纳米天线阵列及非对称金纳米天线阵列上方的介质层构成；所述双波段等离激元传感器的等效外界环境有效折射率范围为1～2；所述非对称金纳米天线阵列的基本结构单元是金纳米条对二聚体，每个金纳米条对二聚体由两个厚度相同非对称的金纳米条平行排列而成；所述金纳米条对二聚体结构尺寸均小于工作波段的光波波长；所述透明基底的材料是玻璃；所述非对称金纳米天线阵列周期范围为200～3000nm；所述金纳米条的长度范围为50～3000nm,宽度范围为50nm～1500nm,厚度范围为20nm～200nm；所述金纳米条对二聚体的非对称性在于两个金纳米条的结构尺寸不完全相同，即两个金纳米条的结构尺寸满足如下三个条件之一：(1)所述两个非对称金纳米条的长度不相同，(2)所述两个非对称金纳米条的宽度不相同，(3)所述两个非对称金纳米条结构尺寸满足(1)(2)的任意组合；所述两个金纳米条之间的距离范围为50nm～1500nm；所述平铺的单层石墨烯费米能级范围为0.2～0.7；优选的，所述非对称金纳米天线阵列的周期为350nm，两个金纳米条的长度分别为250nm、200nm，金纳米条的宽度为50nm，两个金纳米条之间的距离为100nm，金纳米条厚度为50nm，非对称金纳米天线阵列上方的介质层的宽度是半无限宽。优选的，所述非对称金纳米天线阵列的周期为350nm，两个金纳米条的长度分别为250nm、200nm，金纳米条的宽度为50nm，两个金纳米条之间的距离为100nm，金纳米条厚度为50nm，非对称金纳米天线阵列上方的介质层的宽度是10nm宽。本专利技术的技术效果在于：本专利技术克服了传统的金属等离激元或者石墨烯光电器件的不足和缺陷，能同时应用在近红外和中远红外的宽光谱范围内。在近红外主要依赖于金属超表面等离激元共振模式的激发，在中远红外波段主要靠的是石墨烯表面共振模式的产生，同时利用非对称的纳米天线阵列可以提高共振Q值。附图说明图1为金纳米天线阵列/石墨烯结构双波段等离激元传感器三维结构示意图；图2为金纳米天线阵列/石墨烯结构正视、俯视和几何参数示意图；图3为实施例1金纳米天线阵列/石墨烯结构双波段等离激元传感器近红外波段透射谱；图4为实施例1金纳米天线阵列/石墨烯结构双波段等离激元传感器中远红外波段透射谱；图5为实施例2金纳米天线阵列/石墨烯结构双波段等离激元传感器近红外波段透射谱；图6为实施例2金纳米天线阵列/石墨烯结构双波段等离激元传感器中远红外波段透射谱；图7为近红外波段不同介质层厚度共振波长随折射率变化线性曲线；图8为中远红外波段不同介质层厚度共振波长随折射率变化线性曲线。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术进一步进行说明。基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器，所述双波段等离激元传感器由在工作波段对光波透明的基底、在基底上平铺的单层石墨烯和均匀分布的非对称金纳米天线阵列及非对称金纳米天线阵列上方的介质层构成；所述双波段等离激元传感器的等效外界环境有效折射率范围为1～2；所述非对称金纳米天线阵列的基本结构单元是金纳米条对二聚体，每个金纳米条对二聚体由两个厚度相同非对称的金纳米条平行排列而成；所述金纳米条对二聚体结构尺寸均小于工作波段的光波波长；所述透明基底的材料是玻璃；所述非对称金纳米天线阵列周期范围为200～3000nm；所述金纳米条的长度范围为50～3000nm,宽度范围为50nm～1500nm,厚度范围为20nm～200nm；所述金纳米条对二聚体的非对称性在于两个金纳米条的结构尺寸不完全相同，即两个金纳米条的结构尺寸满足如下三个条件之一：(1)所述两个非对称金纳米条的长度不相同，(2)所述两个非对称金纳米条的宽度不相同，(3)所述两个非对称金纳米条结构尺寸满足(1)(2)的任意组合；所述两个金纳米条之间的距离范围为50nm～1500nm；所述平铺的单层石墨烯费米能级范围为0.2～0.7；图1为专利技术的金纳米天线阵列/石墨烯结构双波段等离激元光学传感器三维结构示意图透明基底的材料是玻璃，在基底上平铺单层石墨烯，在石墨烯上是均匀分布的非对称金纳米天线阵列，传感器上方表示外界环境覆盖了一层介质。图2为金纳米天线阵列/石墨烯结构正视、俯视以及几何参数示意图，其中每个金纳米条对二聚体由两个厚度相同非对称的金纳米条平行排列而成。金纳米条的厚度均为h,宽度均为w,长度分别为L1和L2，P为金纳米线条对二聚体周期长度，且P小于工作波段光波的波长，d为金纳米条之间的距离。在实例1中非对称金纳米天线阵列的周期P＝350nm，金纳米条的长度L1＝250nm、L2＝200nm，金纳米条的宽度w＝50nm，两个金纳米条之间的距离d＝100nm，金纳米条厚度h＝50n本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器，其特征在于，所述双波段等离激元传感器由在工作波段对光波透明的基底、在基底上平铺的单层石墨烯和均匀分布的非对称金纳米天线阵列及非对称金纳米天线阵列上方的介质层构成；/n所述双波段等离激元传感器的等效外界环境有效折射率范围为1～2；/n所述非对称金纳米天线阵列的基本结构单元是金纳米条对二聚体，每个金纳米条对二聚体由两个厚度相同非对称的金纳米条平行排列而成；/n所述金纳米条对二聚体结构尺寸均小于工作波段的光波波长；/n所述透明基底的材料是玻璃；/n所述非对称金纳米天线阵列周期范围为200～3000nm；/n所述金纳米条的长度范围为50～3000nm,宽度范围为50nm～1500nm,厚度范围为20nm～200nm；/n所述金纳米条对二聚体的非对称性在于两个金纳米条的结构尺寸不完全相同，即两个金纳米条的结构尺寸满足如下三个条件之一：(1)所述两个非对称金纳米条的长度不相同，(2)所述两个非对称金纳米条的宽度不相同，(3)所述两个非对称金纳米条结构尺寸满足(1)(2)的任意组合；/n所述两个金纳米条之间的距离范围为50nm～1500nm；/n所述平铺的单层石墨烯费米能级范围为0.2～0.7。/n...

【技术特征摘要】
1.基于金纳米天线/石墨烯结构的双波段等离激元传感器，其特征在于，所述双波段等离激元传感器由在工作波段对光波透明的基底、在基底上平铺的单层石墨烯和均匀分布的非对称金纳米天线阵列及非对称金纳米天线阵列上方的介质层构成；
所述双波段等离激元传感器的等效外界环境有效折射率范围为1～2；
所述非对称金纳米天线阵列的基本结构单元是金纳米条对二聚体，每个金纳米条对二聚体由两个厚度相同非对称的金纳米条平行排列而成；
所述金纳米条对二聚体结构尺寸均小于工作波段的光波波长；
所述透明基底的材料是玻璃；
所述非对称金纳米天线阵列周期范围为200～3000nm；
所述金纳米条的长度范围为50～3000nm,宽度范围为50nm～1500nm,厚度范围为20nm～200nm；
所述金纳米条对二聚体的非对称性在于两个金纳米条的结构尺寸不完全相同，即两个金纳米条的结构尺寸满足如下三个条件之一：(1)所述两个非对称金纳米条的长度不相同，(2)所述两个非对称金...

【专利技术属性】
技术研发人员：张检发，温春超，罗杰，洪琦琳，袁晓东，朱志宏，秦石乔，徐威，刘肯，郭楚才，周应秋，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43