【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及痕量分子检测，具体涉及一种光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片及制备方法。
技术介绍
1、随着人类社会的快速发展，生物医疗、食品安全、环境监测等国家重大领域迫切需要高精度的痕量分子检测技术。由于生物分子携带了丰富的生物信息，超高灵敏度的痕量生物分子检测技术在生物医学领域更具有特殊意义。红外光谱技术能直接探测分子振动模式，具有高“指纹”特征性、无需样品标记、无损原位检测、定性定量分析等独特优势，是一种极具潜力的现场快速光谱检测技术，对解决上述重大领域中的共性问题具有极其重要的战略意义。然而，传统红外光谱技术存在着灵敏度低的难题，其无法检测低浓度的生物分子。其中最主要的原因是中红外光波长(6~16 μm)比分子尺寸(＜10 nm)大三个数量级，导致光波与分子相互作用极其微弱，红外光谱信号探测极其困难。
2、表面增强红外吸收光谱技术利用金属表面等离激元效应将红外光波局域在探测器光敏层和被测分子周围，增强光波与分子的相互作用，突破红外光谱系统检测灵敏度低的技术瓶颈提供了一种全新思路。然而，超表面几何结构与电场强度分布之间的物理映射关系是高维度的、非线性的，难以直接获得它们之间的直接函数关系。因此超表面结构设计往往依靠研究人员经验，目前该技术存在传感灵敏度仍然不足的难题，严重阻碍了该技术的现场快速检测应用。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片及制备方法，具有响应度高、传感灵敏度高、信噪比高的优点，可用于生
2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、第一方面，本专利技术提供了一种光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片，包括自下而上依次设置的衬底、金属反射层、金属纳米颗粒层、热释电光敏层和数字超表面结构层。
4、所述金属反射层与热释电光敏层和所述数字超表面结构层形成谐振腔结构，以提高局域电场强度。
5、所述金属纳米颗粒层用于为热释电光敏层提供额外的载流子注入，以提高光响应性能。
6、所述热释电光敏层内部的载流子能够在电势差的驱动下定向移动形成光电流。
7、所述数字超表面结构层在器件的横切方向上呈像素阵列组成的离散化图形，具体图形由二进制数构成的数组编码决定，其中“1”代表存在金属材料，“0”代表不存在金属材料。
8、所述数字超表面结构层能够在预设光波照射下激发表面等离激元共振，将光场能量局域在目标分子和热释电光敏层内，以提高红外光谱芯片的响应度及传感灵敏度；且通过预设算法设计数字超表面结构层的离散化图形的数组编码，以增强预设空间位置处的电场强度。
9、在一些实施方式中，所述数字超表面结构层的单个图形超表面尺寸为100~300nm，周期范围为2000~4000nm，厚度为50~100nm；所述数字超表面结构层的制造材料选自au、ag或cu。
10、在一些实施方式中，所述预设算法为遗传算法。
11、在一些实施方式中，所述金属纳米颗粒层中的金属纳米颗粒的粒径为50~100nm，制造材料选自au、ag或pt。
12、在一些实施方式中，所述金属反射层的厚度为50~200nm，制造材料选自au、ag、cu或al。
13、在一些实施方式中，所述热释电光敏层的厚度为500~1000nm，制造材料选自：锂酸铌晶体、钽酸锂晶体、铌酸锶钡晶体或硫酸三甘肽类晶体。
14、在一些实施方式中，所述热释电光敏层和数字超表面结构层之间设有吸附层，该吸附层能够吸附数字超表面结构层，防止脱落。
15、第二方面，本专利技术提供了一种光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片的制备方法，其包括如下步骤：
16、s1，在衬底表面沉积金属反射层；
17、s2，将金属纳米颗粒铺设在金属反射层上，形成金属纳米颗粒层；
18、s3，在金属纳米颗粒层上沉积热释电光敏材料，形成热释电光敏层；
19、s4，采用预设算法设计数字超表面结构层的离散化图形的数组编码，在热释电光敏层上旋涂光刻胶，曝光显影，获得数字超表面结构层的反结构光刻胶图案；
20、s5，在所述反结构光刻胶图案上镀金属膜层；
21、s6，去除光刻胶，形成数字超表面结构层，得到如权利要求1~7任一项所述的光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片。
22、在一些实施方式中，采用预设算法设计数字超表面结构层的离散化图形的数组编码具体包括：
23、收集样本数据并利用样本数据对神经网络模型进行迭代更新，该样本数据包括数字超表面结构层的图形分布数据，以及通过仿真分析软件计算得到的与所述数字超表面结构层的图形分布对应的电场强度分布数据；
24、遗传算法随机生成若干个二进制数构成的群体编码，该群体编码对应于数字超表面结构层的随机几何结构；
25、将若干个群体编码输入到神经网络模型中，计算光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片的电场强度分布；
26、从群体编码中选择满足预设电场强度要求的个体编码，删除不满足预设电场强度要求的个体编码；
27、通过交叉算子和突变算子对选择的个体编码进行优化，形成新一代群体编码，并将新一代群体编码输入到神经网络模型中进行下一次迭代优化，直至收敛，得到数字超表面结构层的离散化图形的数组编码。
28、本专利技术的有益效果：
29、1、本专利技术将数字超表面结构层与热释电光敏层直接纵向集成，数字超表面结构层将光场能量局域在热释电光敏层内进而转化为光生载流子，能够同时实现光电探测及光谱传感，从而减小芯片暗电流，提高信噪比。
30、2、本专利技术能够通过预设算法针对目标分子振动频率设计对应的数字超表面结构层，对需要增强的光波波段进行精确控制，从而提高对目标分子的检测灵敏度。利用遗传算法实现数字超表面结构层电场强度分布的控制，提高了热释电光敏层及目标待测分子附近的电场强度，能够提高红外光谱芯片的响应度及对目标分子的检测灵敏度。
31、3、本专利技术采用金属反射层、热释电光敏层、数字超表面结构层形成类法布里-珀罗谐振腔结构，能够进一步增强热释电光敏层处电场强度，以此提高红外光谱芯片响应度。
32、4、本专利技术的光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片采用自下而上的加工方式，并且数字微纳结构的制备方法与标准光刻工艺兼容，易于批量化生产。
33、5、本专利技术能够同时提高器件光电响应和传感性能，并具有信噪比高，可以批量化生产等优点，具有广泛的应用前景。
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1.一种光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片，其特征在于：包括自下而上依次设置的衬底、金属反射层、金属纳米颗粒层、热释电光敏层和数字超表面结构层；
2.根据权利要求1所述的光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片，其特征在于：所述数字超表面结构层的单个图形超表面尺寸为100~300nm，周期范围为2000~4000nm，厚度为50~100nm；
3.根据权利要求1所述的光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片，其特征在于：所述预设算法为遗传算法。
4.根据权利要求1所述的光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片，其特征在于：所述金属纳米颗粒层中的金属纳米颗粒的粒径为50~100nm，制造材料选自Au、Ag或Pt。
5.根据权利要求1所述的光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片，其特征在于：所述金属反射层的厚度为50~200nm，制造材料选自Au、Ag、Cu或Al。
6.根据权利要求1所述的光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片，其特征在于：所述热释电光敏层的厚度为500~1000nm，制造
7.根据权利要求1所述的光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片，其特征在于：所述热释电光敏层和数字超表面结构层之间设有吸附层，该吸附层能够吸附数字超表面结构层，防止脱落。
8.一种光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片的制备方法，其特征在于，采用预设算法设计数字超表面结构层的离散化图形的数组编码具体包括：
...【技术特征摘要】
1.一种光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片，其特征在于：包括自下而上依次设置的衬底、金属反射层、金属纳米颗粒层、热释电光敏层和数字超表面结构层；
2.根据权利要求1所述的光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片，其特征在于：所述数字超表面结构层的单个图形超表面尺寸为100~300nm，周期范围为2000~4000nm，厚度为50~100nm；
3.根据权利要求1所述的光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片，其特征在于：所述预设算法为遗传算法。
4.根据权利要求1所述的光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片，其特征在于：所述金属纳米颗粒层中的金属纳米颗粒的粒径为50~100nm，制造材料选自au、ag或pt。
5.根据权利要求1所述的光电探测及传感一体化的数字超表面红外光谱芯片，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：韦玮，骆鹏，兰桂莲，李潇轩，杨利平，伍晓芹，郭安然，刘昌举，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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