硅基聚合物光波導(dǎo)表面等離子體共振傳感器的基礎(chǔ)研究.pdf

1、表面等離子體共振(SPR)傳感器是近年來光電子學(xué)傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。其具有高靈敏、免標(biāo)記、快速響應(yīng)等特點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)、生物與環(huán)境傳感等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。采用聚合物材料制備表面等離子體共振傳感器，只須通過室溫旋涂和光刻等工藝，成本低廉，制作的器件輕巧，在平面光子集成應(yīng)用方面前景十分看好。
　　本論文對(duì)聚合物光波導(dǎo)表面等離子體共振傳感器進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，分別對(duì)基于連續(xù)金膜、基于金納米顆粒的光波導(dǎo)表面等離子體共振傳感器進(jìn)行了理論分

2、析與實(shí)驗(yàn)制備，具體工作如下:
　　1.利用Fresnel公式對(duì)基于連續(xù)金膜的傳導(dǎo)型表面等離子體共振傳感器進(jìn)行了理論分析。研究了金屬膜類型、金屬膜厚度、芯層折射率、以及待測(cè)物折射率對(duì)SPR曲線的影響，結(jié)果表明:金屬薄膜厚度對(duì)SPR共振曲線的鋒銳程度、峰值深度產(chǎn)生較大影響;器件靈敏度隨被測(cè)物折射率增大而增高;SPR共振峰位置隨芯層折射率的減小而紅移，器件設(shè)計(jì)需綜合考慮上述因素。
　　2.設(shè)計(jì)并制備了以SU-8作為芯層，以聚甲基丙

3、烯酸甲酯(PMMA)為下包層的掩埋條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SPR傳感器，搭建了傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)，完成了器件的通光及傳感性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明:對(duì)于折射率分別為1.330和1.365的待測(cè)物，在入射光為650 nm時(shí)，器件的反射率分別為0.880與0.625，與理論計(jì)算值:0.82與0.66相吻合。
　　3.利用Mie理論對(duì)金納米顆粒的消光作用進(jìn)行了理論分析。研究了納米顆粒粒徑、待測(cè)物折射率等因素對(duì)局域表面等離子體共振(LSPR)曲線的影響

4、。結(jié)果表明:LSPR傳感器的靈敏度隨金納米顆粒粒徑的增大而增大;當(dāng)待測(cè)液體折射率增大時(shí)，共振峰的位置發(fā)生紅移;隨著金納米粒徑逐漸增大，其LSPR共振峰逐漸由單峰變?yōu)殡p峰，分析了雙峰產(chǎn)生的原因。
　　4.采用檸檬酸三鈉還原法制備了粒徑約為20 nm的金納米顆粒，對(duì)其LSPR吸收峰進(jìn)行了光譜測(cè)試。采用去離子水、40％濃度酒精及80％濃度酒精作為待測(cè)物，獲得了金納米顆粒對(duì)這三種待測(cè)液體的LSPR共振曲線，其中心波長(zhǎng)分別位于520nm、5

5、22nm與523nm處，靈敏度為100 nm/RIU，與理論計(jì)算結(jié)果較吻合。
　　5.設(shè)計(jì)并制備了采用SiO2作為下包層，SU-8光刻膠作為波導(dǎo)芯層的矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的局域型表面等離子體共振傳感器。利用硅烷溶液對(duì)SU-8進(jìn)行了表面改性，將金納米顆粒牢固綁定在改性之后的SU-8波導(dǎo)的表面形成了傳感器件。采用去離子水、無水乙醇作為待測(cè)液體，對(duì)傳感器件進(jìn)行了性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明:去離子水與無水乙醇的LSPR吸收峰位于波長(zhǎng)530 nm與53