一种基于全介质材料的BICs超构表面结构传感器制造技术

本发明专利技术属于光学生物传感器技术领域，具体为一种基于全介质材料的BICs超构表面结构传感器。本发明专利技术BICs超构表面结构传感器是由四个不同大小的立方柱二、二排列作为晶胞、经二维平面延拓组成的阵列；四个立方柱的高度一致，底面为正方形；相邻立方柱中心间距为P；晶胞阵列的周期为2P；依次记四个立方柱的宽度为w1、w2、w3、w4，满足：w1=w3，w2=w4，且w1≠w2，以实现quasi

【技术实现步骤摘要】
一种基于全介质材料的BICs超构表面结构传感器


[0001]本专利技术属于光学生物传感器
，具体涉及一种基于全介质材料的BICs超构表面结构传感器。

技术介绍

[0002]光学生物传感器可以对生物分子进行无标记、时实、高灵敏地检测。在众多光学生物传感器中，纳米光学谐振器（如导模共振、表面等离子体共振、光子晶体微腔、连续谱束缚态等）由于其极强的光与物质相互作用特性，使得其对结构表面的折射率变化十分敏感，因此受到了广泛的研究。近来，随着微纳加工技术的进步与发展，高性能的纳米光学谐振器件被广泛地运用于生物传感领域。
[0003]其中，基于连续谱束缚态（boundstatesinthecontinuum，BICs）的光学谐振器由于其理论上具有无限大的Q值，使得其从众多纳米光学谐振器件中脱颖而出。BICs是处于辐射区域的一种非辐射电磁本征态。理想的BICs具有暗场性质，无法通过实验手段直接观测到。而实际中由于加工误差以及散射损耗等影响，理想的BICs会变为准（quasi）BICs，并且这种quasi
‑
BICs仍然拥有很高的Q值。
[0004]近来，研究者在光子晶体、超构表面、共振光栅等结构中均发现BICs模式，并将其应用于传感领域。在光子晶体和共振光栅中的BICs模式探测，一般是通过斜入射的方法。虽然此方法可以实现极高的Q值（大于105），但是这种斜入射的探测较为复杂，且需要很多高精度的仪器，不利于探测系统的小型化集成化。而在超构表面领域，研究人员发现使用非对称构型就可以在正入射下有效激发具有高Q特性的准BICs模式。这为BICs器件的小型化集成化提供了可能。
[0005]对于传感器而言，除了高Q值特性之外，还需要器件拥有高灵敏度。对于生物传感器，尤其需要关注其表面灵敏度。目前，常见的BICs结构器件主要是基于无损耗或低损耗的高折射率介质材料制备的。介质材料的优势在于易于调制BICs模式，且易于在实验中实现高Q值共振，但是基于全介质材料的BICs结构的灵敏度有限。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种具有高表面灵敏度的基于全介质材料的BICs超构表面结构传感器。
[0007]本专利技术提供的基于全介质材料的BICs超构表面结构传感器，是由四个不同大小的立方柱二、二排列作为晶胞，经二维平面延拓组成的阵列，该晶胞也称为“四聚体”。所述四个立方柱的高度一致，记为H，底面为正方形；相邻立方柱中心间距为P；所述晶胞阵列的周期为2P；记第一立方柱的宽度为w1，第二立方柱的宽度为w2，第三立方柱的宽度为w3，第四立方柱宽度为w4，满足：w
1 = w3，w2=w4，且w1≠ w2，以实现quasi
‑
BIC模式的激发；记Δw = w
1 ‑ꢀ
w2；所述阵列结构下面是与晶胞材料相同的波导层；波导层下面是衬底，作为整体结
构的支撑层。
[0008]本专利技术中，所述晶胞的材料为氮化硅或者二氧化钛介质材料；折射率为1.8
‑
2.5。
[0009]本专利技术中，所述晶胞中立方柱高度H为50
‑
500nm，底面为正方形，宽度为100
‑
350nm。
[0010]本专利技术中，所述相邻立方柱的中心间距P为400nm；晶胞的周期2P为800nm。
[0011]本专利技术中，所述衬底材料为硅、石英或者玻璃。
[0012]本专利技术提供的BICs超构表面结构传感器，其中晶胞的四聚体结构，可激发具有高信噪比的TE（1,1）和TM（1,1）模式，而一般的非对称超构表面激发的BIC模式为TE（1,0）或者TM（1,0）模式。相比于（1,0）级次模式，这种（1,1）级次模式可以得到更高的尺寸/共振波长比（即结构中最小的制备尺寸除以共振波长）。这一特点有助于实际样品的加工制备。此外，由于四聚体结构相比于其他构型具有更大的表面面积，因此大大增加了生物分子蛋白可沉积的表面积，由此提高在相同波段下表面灵敏度。
附图说明
[0013]图1为本专利技术四聚体BICs超构表面单元（晶胞）结构示意图。
[0014]图2为本专利技术四聚体BICs超构表面单元（晶胞）结构立方柱俯视图。
[0015]图3为四聚体超构表面在不同Δw下的反射谱。
[0016]图4为单聚体BICs超构表面结构俯视图。
[0017]图5为双聚体BICs超构表面结构俯视图。
[0018]图6不同构型下TE（1,0）模式光谱对比。
[0019]图7不同构型下TM（1,1）模式光谱对比。
[0020]图8不同构型下TE（1,1）模式光谱对比。
[0021]图9为四聚体超构表面附着蛋白分子的俯视图。
[0022]图10为四聚体超构表面附着蛋白分子的侧视图。
[0023]图11为四聚体超构表面在不同蛋白分子厚度下的反射谱。
[0024]图12为不同构型表面灵敏度对比。
[0025]图中标号：1为衬底，2为波导层，3为介质方柱（或者圆柱），4为外界环境，5为蛋白分子。
具体实施方式
[0026]下面通过实施例结合附图进一步介绍本专利技术。
[0027]实施例1：支撑材料上有一层波导层厚度T为140nm，此波导层上为设计的四聚体阵列结构，四聚体高度H为60nm，阵列周期为800nm，立方柱一和三宽度相等w1=w3，立方柱二和四宽度相等w2=w4，见图1，2。通过调节相邻立方柱的宽度，并使w1≠w2（即Δw≠0）来实现结构面内的对称破缺，从而产生quasi
‑
BICs模式。从图3中可以看到，当Δw=0nm时，在820
‑
885nm的波长范围内无共振模式，而当Δw≠0nm时，在825nm和875nm附近分别出现一个很窄线宽的模式，并且这两个模式（分别记为“quasi
‑
BICs 1”和“quasi
‑
BICs 2”）的线宽随着Δw的增加而变宽，展示了其具有quasi
‑
BICs性质的模式。
[0028]超构表面在不同的波长范围下激发的模式，是由于光经过衍射单元后产生的不同衍射级次引起的。可以由瑞利截止波长公式来对模式的性质进行判断，具体公式为为λ = n
eff ·
Λ/(i2+j2)
1/2
，（其中Λ为阵列周期，i和j分别为x方向和y方向的衍射级次，n
eff
为外界环境的有效折射率）。在此四聚体结构中，Λ=2P=800nm，n
eff
≈1.5。由此可知825nm和875nm附近激发的模式为（1,1）级次，且一般而言TM模式的波长小于TE模式的波长，因此上述的“quasi
‑
BICs 1”对应的是TM（1,1）模式，“quasi
‑
BICs 2”对应的是TE（1,1）模式。而一般的非对称超构表面激发的BIC模式为TE（1,0）或者TM（本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于全介质材料的BICs超构表面结构传感器，其特征在于，是由四个不同大小的立方柱二、二排列作为晶胞，经二维平面延拓组成的阵列，该晶胞也称为“四聚体”；所述四个立方柱的高度一致，记为H，底面为正方形；相邻立方柱中心间距为P；所述晶胞阵列的周期为2P；记第一立方柱的宽度为w1，第二立方柱的宽度为w2，第三立方柱的宽度为w3，第四立方柱宽度为w4，满足：w
1 = w3，w2=w4，且w1≠ w2，以实现quasi
‑
BIC模式的激发；记Δw = w
1 ‑ꢀ
w2；所述阵列结构下面是与晶胞材料相同的波导层；波导层下面是衬底，作为整体结构的支撑层。2.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：周一，吴翔，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：