金屬周期性納米結(jié)構(gòu)表面等離子體共振傳感特性研究.pdf

1、表面等離子體共振傳感具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無需標(biāo)記、靈敏度較高等特點(diǎn),目前在化工、醫(yī)療、材料、食品、環(huán)境等方面均有廣泛應(yīng)用。而金屬周期性納米結(jié)構(gòu)是當(dāng)前表面等離子體共振傳感領(lǐng)域的最新發(fā)展熱點(diǎn)。利用金屬周期性納米結(jié)構(gòu)經(jīng)過調(diào)制的局域表面等離子體共振效應(yīng),可以獲得區(qū)別于傳統(tǒng)表面等離子體共振傳感結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性能。本論文在前人的基礎(chǔ)上研究了多種金屬周期性納米結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振傳感特性。
　　 通過時(shí)域有限差分算法和比較模型討論了金屬周期性納米結(jié)構(gòu)

2、增強(qiáng)透射效應(yīng)的機(jī)理,驗(yàn)證基于金屬特性的表面等離子體和局域表面等離子體是形成增強(qiáng)透射的主要因素之一。通過時(shí)域有限差分算法研究了利用增強(qiáng)透射峰的移動(dòng)作為依據(jù)來做傳感的金屬周期性納米狹縫平板表面等離子體傳感模型和利用窄波段范圍內(nèi)反射峰的移動(dòng)作為依據(jù)來做傳感的金屬周期性納米連續(xù)光柵平板表面等離子體傳感模型,并給出了優(yōu)化結(jié)果。
　　 通過嚴(yán)格耦合波分析算法和等效折射率方程研究了金屬周期性納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型棱鏡表面等離子體共振傳感結(jié)構(gòu)模型。模擬

3、表明這種類型的結(jié)構(gòu)可以利用局域表面等離子體效應(yīng)對(duì)原本普通的棱鏡型表面等離子體共振傳感結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響,改變其反射率曲線形狀和位置,并得到顯著的共振角度移動(dòng)增強(qiáng)。而后者直接導(dǎo)致了傳感靈敏度的提高。文中針對(duì)金屬周期性納米光柵引起的反射率曲線吸收峰值位置、反射率曲線吸收峰的寬度、最小反射率以及共振角度移動(dòng)增強(qiáng)等幾個(gè)因素的各自變化分別進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算和討論。
　　 在矩形金屬周期性納米光柵對(duì)表面等離子體共振傳感增強(qiáng)理論的基礎(chǔ)上,本論文還利

4、用通過嚴(yán)格耦合波分析算法和等效折射率方程研究了其它三種新型結(jié)構(gòu)的模型。其中,基于周期性納米小孔的表面等離子體共振傳感靈敏度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)既在內(nèi)部存在局域表面等離子體效應(yīng),又具備普通表面等離子體結(jié)構(gòu)的平滑表面,消除了小尺度光柵表面帶來的各種問題。而基于金屬周期性梯形和倒梯形光柵的表面等離子體共振傳感靈敏度增強(qiáng)結(jié)構(gòu)則可以通過調(diào)節(jié)梯形腰的傾斜度而在高的共振角度移動(dòng)增強(qiáng)和好的反射率曲線質(zhì)量之間取得平衡,為表面等離子體共振傳感增強(qiáng)金屬周期性納米光柵的設(shè)

5、計(jì)提供了更大的靈活性。最后,通過在介質(zhì)光柵底部加入金屬,形成基于周期性金屬-電介質(zhì)混合光柵的新型透射式多用途結(jié)構(gòu),可以改善透射峰的質(zhì)量以及提高表面等離子體共振傳感的靈敏度。這三種新型結(jié)構(gòu)均給出了優(yōu)化結(jié)果。
　　 用傳輸矩陣算法和等效折射率方程研究了一種基于硅波導(dǎo)的帶金屬周期性納米結(jié)構(gòu)的新型集成表面等離子體共振傳感結(jié)構(gòu)。引入周期性金屬納米結(jié)構(gòu)到集成波導(dǎo)表面等離子體共振傳感結(jié)構(gòu)上,解決了硅波導(dǎo)因?yàn)閷?duì)白光的吸收而無法用于表面等離子體共

6、振傳感的問題。經(jīng)過模擬計(jì)算,可以發(fā)現(xiàn)金屬周期性納米結(jié)構(gòu)的存在使得波導(dǎo)表面等離子體共振傳感結(jié)構(gòu)吸收峰向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向發(fā)生了移動(dòng)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì),可以讓吸收峰遠(yuǎn)離硅材料在可見光區(qū)的本征吸收,能很好地反應(yīng)傳感信息。此外,在這樣的條件下,結(jié)構(gòu)同時(shí)具備高靈敏度。該結(jié)構(gòu)在未來有潛力集成于微型硅芯片上,以達(dá)到“片上實(shí)驗(yàn)室”的目標(biāo)。
　　 進(jìn)行了相關(guān)結(jié)構(gòu)的制備工藝和測(cè)試技術(shù)研究,工作主要包括四部分:研究了基于納米壓印工藝的周期性納米結(jié)構(gòu)制備工藝；設(shè)計(jì)