基于豌豆型超表面的光学折射率传感器及其制作方法

本发明涉及光学传感，特别是属于一种基于豌豆型超表面的光学折射率传感器及其制作方法。

背景技术：

1、传感技术是一项能够帮助人们感知、获取和检测信息的技术，是世界信息产业的三大支柱之一。随着传感技术的不断发展，与光学、化学以及生物等学科进行结合，也出现了一批非常具有研究前景的交叉学科，与此同时，不同种类的折射率传感器也应运而生。其中，基于超结构光学折射率传感器因其体积更小，捕获信息的能力更强，集成度更高，获得了更多的研究兴趣和技术支持。

2、当下，人们对于折射率传感器的研究，大多集中在以金属构成的等离子元表面，可是，金属等离子元表面存在高欧姆损耗、高制作成本，集成度不高的问题，这限制了金属等离子元表面在微纳光学的发展与应用。但是，电介质元表面的出现，则解决了这些问题。电介质元表面与传统金属等离子元表面相比，内部不存在自由电子的震荡，从而消除的欧姆损耗的影响，获得的共振产生的透射和反射光谱与传统的等离子传感器相比则窄得多，更容易实现高品质因子和高灵敏度。再者，电介质元表面制作工艺简单，降低了生产成本，为制造小型化，集成化的光学器件提供了新的思路。

3、fano共振是一种会产生非对称线性的散射共振现象，广泛应用于光开关、光传感、非线性光学等领域。连续域中的束缚态(bic)是一种在能带走能量的辐射波的连续光谱中存在的，同时能保持局域化的波，在流体力学、声学、光学中普遍存在。通过打破结构的不对称性，引入与外界的辐射通道，从而可以使bic模式转变为具有高q(最大品质)因子的准bic模式，具体表现为在透射谱上产生高性能的fano峰，实现高品质的折射率传感器。

4、综上所述，基于当前光学折射率传感器的研究现状以及fano共振的优势，发明人提出了一种基于豌豆型超表面的光学折射率传感器及其制作方法。

技术实现思路

1、本发明的目的即在于提供一种基于豌豆型超表面的光学折射率传感器及其制作方法，以达到通过采用不同折射率的超表面材料来打破对称性，能在传感器工作波长范围内产生两个尖锐的fano共振，并获得高品质因子的目的。

2、本发明所提供的一种基于豌豆型超表面的光学折射率传感器，其特征在于，包括介质基底和超结构，介质基底包括若干个方形衬底，超结构包括若干个超结构单元，超结构单元与方形衬底对应设置并构成微结构单元，若干个微结构单元形成矩阵分布，并在x、y方向周期性排列。

3、进一步的，介质基底材料为二氧化硅，厚度为260nm。

4、进一步的，超结构单元包括第一结构体和第二结构体，所述的第一结构体和第二结构体为对称布置的豌豆型缺陷椭圆柱结构，厚度均为270nm，其中，第一结构体材料为si，si的折射率为3.56；第二结构体材料为gaas，gaas的折射率为3.52。

5、进一步的，微结构单元在x、y方向的排列周期为530nm。

6、进一步的，豌豆型缺陷椭圆柱的长轴为225nm，短轴为64nm，两个豌豆型缺陷椭圆柱圆心间隔为258nm。

7、进一步的，本发明的光学折射率传感器能够在透射谱上产生两个尖锐的fano共振，传感器的工作波长为960nm-1050nm。

8、本发明所提供的一种基于豌豆型超表面的光学折射率传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

9、步骤1：使用去离子水溶液对二氧化硅衬底进行冲洗去除污染物；

10、步骤2：通过低压化学气相沉积法，在二氧化硅衬底样品上沉积硅膜；

11、步骤3：在样品上旋涂抗蚀剂，抗蚀剂厚度330nm～340nm，然后烘烤样品2～4分钟；

12、步骤4：等到样品冷却到室温后，对样品采用电子束光刻技术刻蚀出所需的图形，相应的豌豆型缺陷椭圆柱不被电子束照射，曝光剂量设置在195μc/cm2左右；

13、步骤5：用无机弱碱性水溶液溶解光刻胶经过曝光后可溶解区域，进行显影操作，溶解掉不需要的光刻胶，获得所需要的形状；

14、步骤6：对样品进行加温烘烤，使没有被电子束曝光区域的胶更加牢固的黏附在样品表面，增加胶层的抗刻蚀能力；

15、步骤7：通过低压化学气相沉积法，在样品上沉积砷化镓膜，然后重复步骤3-6，获得gaas豌豆型缺陷椭圆柱；

16、步骤8：移除si和gaas圆柱上的掩膜，获得所需要的元表面，通过电感耦合等离子体刻蚀后得到豌豆型缺陷椭圆柱阵列；

17、步骤9：利用有机溶剂将光刻胶溶解掉，获得所需的折射率传感器。

18、本发明所提供的一种基于豌豆型超表面的光学折射率传感器及其制作方法，通过采用具有不同折射率的材料来打破对称性，产生高q因子的fano共振峰，为几何不对称的超表面结构提供了一种很好的替代方案，本发明的主要优势包括以下几个方面：

19、1、超结构单元采用半导体材料，与金属结构相比，具备更高的灵敏度和q因子；

20、2、超结构单元通过采用具有不同折射率的材料来打破对称性，产生高q因子的fano共振峰，为几何不对称的超表面结构提供了一种很好的替代方案；

21、3、解决了金属等离子元表面存在的高欧姆损耗、低品质因数等问题，为电介质超结构的发展起到了推动作用；

22、4、本发明的微结构单元支持米氏共振，通过电磁场的强约束增强光与物质的相互作用，能够获得高品质的fano共振。

技术特征：

1.一种基于豌豆型超表面的光学折射率传感器，其特征在于，包括介质基底和超结构，介质基底包括若干个方形衬底，超结构包括若干个超结构单元，超结构单元与方形衬底对应设置并构成微结构单元，若干个微结构单元形成矩阵分布，并在x、y方向周期性排列。

2.根据权利要求1所述的一种基于豌豆型超表面的光学折射率传感器，其特征还在于，介质基底材料为二氧化硅，厚度为260nm。

3.根据权利要求2所述的一种基于豌豆型超表面的光学折射率传感器，其特征还在于，超结构单元包括第一结构体和第二结构体，所述的第一结构体和第二结构体为对称布置的豌豆型缺陷椭圆柱结构，厚度均为270nm，其中，第一结构体材料为si，si的折射率为3.56；第二结构体材料为gaas，gaas的折射率为3.52。

4.根据权利要求3所述的一种基于豌豆型超表面的光学折射率传感器，其特征还在于，微结构单元在x、y方向的排列周期为530nm。

5.根据权利要求4所述的一种基于豌豆型超表面的光学折射率传感器，其特征还在于，豌豆型缺陷椭圆柱的长轴为225nm，短轴为64nm，两个豌豆型缺陷椭圆柱圆心间隔为258nm。

6.根据权利要求5所述的一种基于豌豆型超表面的光学折射率传感器，其特征还在于，本发明的光学折射率传感器能够在透射谱上产生两个尖锐的fano共振，传感器的工作波长为960nm-1050nm。

7.根据权利要求1-6中任一一项所述的一种基于豌豆型超表面的光学折射率传感器，其特征还在于，包括以下步骤：

技术总结
一种基于豌豆型超表面的光学折射率传感器及其制作方法，涉及光学传感技术领域，具体属于一种基于豌豆型超表面的光学折射率传感器及其制作方法。包括介质基底和超结构，介质基底包括若干个方形衬底，超结构包括若干个超结构单元，超结构单元与方形衬底对应设置并构成微结构单元，若干个微结构单元形成矩阵分布，并在X、Y方向周期性排列。本发明通过采用不同折射率的超表面材料来打破对称性，能在传感器工作波长范围内产生两个尖锐的Fano共振，并获得高品质因子。

技术研发人员：房文敬,庞杰龙,范鑫烨,郭昊宇,牛慧娟,白成林,张霞
受保护的技术使用者：聊城大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13