基于金属纳米结构和单层TMDs复合体系折射率传感器及方法技术

本发明专利技术公开了基于金属纳米结构和单层TMDs复合体系折射率传感器及方法。本发明专利技术采用金属纳米结构和单层过渡金属硫化物紧贴组成的复合结构，在可见光波段，实现几乎可以独立操控的局域表面等离激元折射率传感器；将金属纳米结构的局域表面等离激元与TMDs二维材料的激子相融合，结合两者的优势，有着极好的传感性能，能够满足新型传感器的指标要求；散射光谱增强，从而达到增强信噪比的效果，当外界环境发生变化时，谱线线宽相对于单个金属纳米结构变窄，提取出丰富的结构信息，因此实现高灵敏度的传感；有利于缩小器件尺寸，在高度集成的局域表面等离激元传感器中具有潜在应用；本发明专利技术具有结构简单，体积小，信噪比高，灵敏度高，响应快的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于金属纳米结构和单层TMDs复合体系折射率传感器及方法
本专利技术涉及光学传感技术，具体涉及一种基于金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的折射率传感器及其传感方法。
技术介绍
金属纳米结构局域表面等离激元共振(LocalizedSurfacePlasmonResonance,LSPR)可将自由空间传播的光场高效地收集并汇聚，形成纳米尺度“热点”局域光场。其倏逝近场对环境参数具有很高的敏感性。基于局域表面等离激元原理，此类传感器通过光学方法将被测量(输入量)转换成另一个可观测量(输出量)的传感装置。当传播常数受到外界环境折射率(介电常数)的影响时，表面等离激元的共振条件发生变化，能够精确、实时的检测出外界环境参量的变化。近年来，由于表面等离激元纳米传感器尺寸小，精度高、灵敏度高、无破坏性等一系列优点，已经受到了研究者的广泛关注。但是，在一些实际应用中，除了需要电场增强以外，还需要较窄的共振谱线线宽。例如，在基于折射率变化的生物传感器中，其检测极限不仅取决于LSPR对周围介质环境变化的灵敏度，还取决于谱线线宽。只有具有较窄的线宽时，当谱线发生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的折射率传感器，其特征在于，所述折射率传感器包括传感元件和光学测量装置；其中，传感元件包括衬底、单层过渡金属硫化物和金属纳米结构；单层过渡金属硫化物转移到衬底上，单层过渡金属硫化物为二维直接带隙半导体材料；金属纳米结构固定在单层过渡金属硫化物的表面，构成金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系；光学测量装置采用透射式暗场测量或者反射式暗场测量的暗场散射光谱测量系统；暗场散射白光作为激发光源，经物镜汇聚，在透射式暗场测量时，衬底采用透明衬底，暗场散射白光从透明衬底的背面垂直照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上，在反射式暗场测量时，暗场散射白...

【技术特征摘要】
1.一种基于金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的折射率传感器，其特征在于，所述折射率传感器包括传感元件和光学测量装置；其中，传感元件包括衬底、单层过渡金属硫化物和金属纳米结构；单层过渡金属硫化物转移到衬底上，单层过渡金属硫化物为二维直接带隙半导体材料；金属纳米结构固定在单层过渡金属硫化物的表面，构成金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系；光学测量装置采用透射式暗场测量或者反射式暗场测量的暗场散射光谱测量系统；暗场散射白光作为激发光源，经物镜汇聚，在透射式暗场测量时，衬底采用透明衬底，暗场散射白光从透明衬底的背面垂直照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上，在反射式暗场测量时，暗场散射白光直接垂直照射到单层过渡金属硫化物和金属纳米结构上；单个金属纳米结构产生等效连续态的局域表面等离激元，单层过渡金属硫化物产生等效离散态的激子；单层过渡金属硫化物中的离散态的激子与单个金属纳米结构中的连续态的局域表面等离激元相干涉，产生非对称的散射共振线型，即法诺共振；在法诺共振位置处，系统辐射损耗被有效抑制，具有更大的场增强以及更加精细的光谱；金属纳米结构作为局域表面等离激元纳米天线增强了单层过渡金属硫化物中光与物质的相互作用；由于激子与局域表面等离激元之间存在共振能量转移，单层过渡金属硫化物作为增益介质，通过调控金属纳米结构的退相干时间，从而降低其辐射损耗，减小线宽；光学测量装置接收具有法诺共振的散射光，并提取分析散射光的光谱信号，利用法诺模型对散射光的光谱信号进行拟合，得到共振波长，并根据已知的敏感因子，得到溶液环境的折射率。


2.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述单层过渡金属硫化物的厚度为0.7～1nm。


3.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述单层过渡金属硫化物采用单层过渡金属硫化物采用二硫化钨、二硫化钼、二硒化钨和硒化钼中的一种。


4.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述衬底采用二氧化硅玻璃或氧化铟锡玻璃的透明衬底，或者采用不透明硅片。


5.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述激发光源发出的暗场散射白光经物镜汇聚在传感元件上，其光束大小为1～1.3μm2。


6.如权利要求1所述的折射率传感器，其特征在于，所述光学测量装置包括：暗场散射光源、分束镜、物镜、透镜和光谱仪；其中，暗场散射光源发出暗场散射白光作为激发光源，经分束镜后，由物镜汇聚，垂直入射至传感元件上；散射光和沿原路返回的反射光经分束镜由透镜汇聚后同时进入光谱仪中，扣除背景杂散光信号后，得到溶液环境的散射光的光谱信号。


7.一种如权利要求1所述的基于金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系的折射率传感器的传感方法，其特征在于，所述传感方法包括以下步骤：
一、传感元件的制备
1.单层过渡金属硫化物转移在衬底上，单层过渡金属硫化物为二维直接带隙半导体材料；
2.金属纳米结构固定在单层过渡金属硫化物的表面，构成金属纳米结构和单层过渡金属硫化物复合体系；
二、光学测量装置的搭建
a)光学测量装置的暗场散射光源发出暗场散射白光作为激发光源，经分束镜后，由物镜汇聚，在透射式暗场测量时，衬底采用透明衬底，暗场散射白光从透明衬底的背面垂直照射到单层过渡金属硫...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕国伟，叶璐璐，张威东，胡爱芹，温特，龚旗煌，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11