一种基于二维材料异质结的D型PCF生物传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于二维材料异质结的D型PCF生物传感器，该传感器是由一段包层区域抛磨掉部分形成D型PCF、金膜、石墨烯材料以及MoS2材料组成。本发明专利技术主要通过将MoS2涂覆在石墨烯层上形成异质结，将两者优异的物理特性相结合，提高对生物分子的吸附，增强金膜表面的SPR，进而提高传感器的灵敏度。该传感器对外界介质折射率的细微变化极其敏感的特性，当金膜表面的外界环境折射率改变时，会导致共振吸收峰的位置发生改变，通过测量共振吸收峰对应位置波长的变化量来计算外界折射率的变化。该传感器的优点在于结构简单，采用两种二维材料堆积形成异质结构，能够获得高灵敏度，低损耗，外部传感能够实时检测。部传感能够实时检测。部传感能够实时检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维材料异质结的D型PCF生物传感器
(一)

[0001]本专利技术涉及一种基于二维材料异质结的D型PCF生物传感器，属于生物检测和光纤传感

(二)
技术介绍

[0002]表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)是发生在金属和介质界面上的电荷密度波共振现象，它对与金属相邻分析物的折射率、温度、浓度以及生物分子类型等参数的微小变化极其敏感，当光在纤芯内传播时会发生全反射，因全反射而产生倏逝波，倏逝波以驻波的形式穿透光纤包层激发金属产生自由电子，集体震荡的自由电子会产生沿着传播方向的等离子体波。当改变入射光波长或角度，使得等离子体波的频率等于倏逝波的频率时，就能观察到SPR现象。
[0003]光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)具有灵活的结构设计和优良的光学特性，在光电子、光纤通信系统和光纤非线性等领域具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。基于SPR效应的光学传感器具有高敏度、低损耗、无标记、实时在线检测等优点。但其设备兼容性差、体积大、集成困难等问题限制了其进一步的应用。因此将PCF优异的光学特性与SPR技术相结合就解决了上述问题，一些体积小、重量轻、易于集成的光子晶体光纤SPR传感器随之出现。随着PCF
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SPR传感器的不断发展，获得可检测折射率范围大、灵敏度高、分辨率高、可商品化的传感器成为了设计的目标。
[0004]众所周知金属膜是产生SPR现象的重要条件，而又由于光纤在传导时，能量主要集中在纤芯，因此包层中的倏逝波随着离纤芯距离增大呈指数函数形式衰减。所以为了减少这部分损耗，通常把光纤抛磨掉一定的深度，然后在抛磨面上涂覆金属层，最后实现相应的传感。
[0005]近几年来，人们对D型光纤的研究逐步深入，人们普遍使用金薄膜作为等离子体材料。随着二维材料进入人们的视野，一些研究者将二维材料引入光纤SPR传感器中，使金属与石墨烯、氧化石墨烯、二硫化钨等二维材料结合形成复合结构，从而进一步提高光纤SPR传感器的性能。2015年，Rifat.A.A等人提出一种石墨烯包覆铜的光子晶体光纤等离子体生物传感器，在折射率范围1.33
‑
1.37，平均灵敏度达到2000nm/RIU，传感精度5
×
10
‑5RIU最大损耗峰值120dB/cm。2017年，J.Zhao等人研究了一种在D型光纤上镀银膜同时复合氧化石墨烯的SPR传感器，他们提出的光纤SPR传感器在1.30到1.40范围内折射率灵敏度可达2252nm/RIU。2019年，Bin Li等人提出一种基于光子晶体光纤石墨烯增强的表面等离子体液体折射率传感器，在折射率范围1.33
‑
1.3688，平均灵敏度达到2290nm/RIU，最大损耗峰值78dB/cm。
[0006]以上的研究进展中，还存在诸多改进的空间，比如：传感的范围窄，只适用于低折射率传感，灵敏度不高，只能在可见光范围传感等缺点。因此本设计基于以上问题，设计出了一种新结构的D型PCF生物传感器，首先在空气孔的排布和大小上做了如下设计：包层有5层空气孔排列组成，空气孔有着三种不同的尺寸，其中三个最大的空气孔的设置，一是利用
结构不对称产生双折射效应，其次是为了调节纤芯的有效折射率，使纤芯束缚更多的能量，最小的两个空气孔的设置则是为了增加y偏振方向上的泄漏，进而提高传感的性能。抛磨面在最小孔的正上方，离纤芯最近，受到更强y偏振方向泄露的光。抛磨面上涂覆一层金薄膜，为了增加金薄膜表面吸附分子的能力，在金薄膜表面上沉积5层石墨烯。石墨烯层的表面还涂覆了3层二硫化钼二维材料形成异质结，比单独沉积石墨烯层有更好的增敏效果。石墨烯有着优异的电学，光学及力学等性质，然而石墨烯没有带隙的缺陷。类似石墨烯材料的MoS2是重要的半导体材料，具有可调的带隙。将石墨烯和MoS2叠放在一起，形成异质结构，异质结内存在两种作用力，面内材料通过化学键连接，而面与面间则存在微弱的范德华力。异质结构体系呈现出半金属特性，而其层间较弱的范德华力使得MoS2和石墨烯都较好地保持了各自原有的电子结构性质可以充分发挥石墨烯与MoS2的物理性能，提高对于生物分子的吸附，增加金膜表面的SPR，进而大幅度提升传感器的性能。
[0007]此外PCF光纤传感器的传感区域在光纤外部，可以直接接触待测介质，避免孔内镀膜和传感测试的缺点。通过合理设置PCF的几何参数，使传感器实现高灵敏低损耗的传感性能。该传感器传感波段范围主要在近红外波段，且在近红外波段有着极高的灵敏度，大大增强了其实用性。
(三)
技术实现思路

[0008]针对上述问题，本专利技术主要提供一种结构优良，工艺简单，灵敏度高，分辨率大的D型PCF生物传感器。
[0009]本专利技术所采用的技术方案是：
[0010]具体地，本专利技术提供了一种基于二维材料异质结的D型PCF生物传感器，其结构包括所述光子晶体光纤(PCF)传感器本体由D型光子晶体光纤(1)，空气孔(2)，金薄膜(3)，石墨烯层(4)，MoS2层(5)和待测介质(6)及完美匹配层PML(7)。
[0011]一种基于二维材料异质结的D型PCF生物传感器，包层部分由5层空气孔排列组成，空气孔有着三种不同的尺寸，其中三个最大的空气孔的设置，一是利用结构不对称产生双折射效应，其次是为了调节纤芯的有效折射率，使能量更加集中在纤芯，最小的两个空气孔的设置则是为了增加y偏振方向上的泄漏，进而提高传感的性能。
[0012]通过侧边抛磨技术在PCF包层区域抛磨一定深度H形成一个抛磨面，抛磨面在最小孔的正上方，离纤芯最近，受到更强y偏振方向泄露的光。在抛磨面上一层金薄膜，在金薄膜表面涂覆石墨烯，然后在石墨烯表面涂覆二硫化钼材料形成异质结，能提高表面生物分子的吸附，增强SPR效应。所述的三层材料在PCF的轴向延伸的平滑表面上，传感区域直接接触待测介质，使用时，基于二维材料异质结的D型PCF生物传感器完全浸没在待测分析物液体里，所述PML位于待测分析物液体的外面，其为在对传感器进行性能仿真时所添加的计算边界。
[0013]进一步地，所述D型PCF的最大空气孔直径D3＝4.8μm，第二大孔直径D2＝2.7μm，最小孔直径d＝0.6μm，空气孔的间距Λ＝6μm，所述PCF传感器的侧抛平面在最小空气孔的正上方，到纤芯的距离H＝12μm，金薄膜的厚度为t
g
＝40nm，石墨烯的厚度为0.34nm
×
L
G
，二硫化钼的厚度为
[0014]进一步地，在D型PCF
‑
SPR传感器的传感器区域外设置待测介质，因为发生SPR效
应，所以对金膜周围待测介质的折射率变化十分敏感，当入射光在光纤中传播时，主要在纤芯中传播，当入射光的分量以驻波的形式入射到金膜时，入射光的一部分光会变成倐逝波与金属中的表面等离子体波发生共振，倐逝波的能量也会耦合到表面等离子体波中，使得入射光的能量被吸收，直接导致检测到的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维材料异质结的D型PCF生物传感器，如图1所示，包括PCF传感器本体，其特征在于：所述光子晶体光纤(PCF)传感器本体由D型光子晶体光纤(1)，空气孔(2)，金薄膜(3)，石墨烯层(4)，MoS2层(5)和待测介质(6)组成；通过侧边抛磨技术在PCF包层区域抛磨一定深度形成一个抛磨面，PCF传感器的抛磨面在最小空气孔的正上方，抛磨面上镀一层金薄膜，金薄膜表面沉积5层石墨烯，在石墨烯的表面沉积3层MoS2形成异质结，所述PCF包层区域的有三种不同尺寸的空气孔，最大空气孔直径D3＝4.8μm，第二大孔直径D2＝2.7μm，最小孔直径d＝0.6μm，孔间距Λ＝6μm，包层圆弧曲面的半径R＝20.5μm，所述PCF传感器的抛磨面到纤芯的距离H＝12μm，金薄膜的厚度为t
g
，石墨烯的厚度为0.34nm
×
L
G
，MoS2的厚度为0.65nm
×
L
MoS2
。2.根据权利要求1所述的一种基于二维材料异质结的D型PCF生物传感器，其特征在于：PCF的包层区域抛磨一定的深度H形成所述D型PCF，抛磨面在最小空气孔的正上方，抛磨面镀上金膜，用来激发SPR，从而实现其传感特性，金膜的最优厚度t
g
＝40nm。3.根据权利要求1所述的一种基于二维材料异质结的D型PCF生物传感器，其特征在于：光子晶体光纤的包层区域有5层空气孔排列组成，空气孔有着三种不同的尺寸，其中三个最大的空气孔的设置，一是利用光纤结构不对称产生双折射效应，其次是为了调节纤芯的有效折射率，使能量更加集中在纤芯，最小的两个空气孔的设置则是为了增...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨宏艳，刘洋，刘孟银，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：