基於納米腔天線陣列的表麵等離子體共振傳感器的研究
科技專論
作者：雷菊華 楊宏
【摘要】研究表明，由於波長的共振飄移，金屬膜表麵介質上的折射率的微小變化是可以檢測的。表麵等離子體共振傳感器可通過調製入射光的波長，引起共振峰光譜漂移，從而監測折射率的變化。這種傳感器使用納米腔天線陣列來進行折射率檢測，檢測靈敏度平均值為3200納米/RIU（折射率單位），這種傳感器的靈敏度是基於光柵的金屬基氣體傳感器的兩倍，從而較大的提高了傳感器的靈敏度。
【關鍵詞】氣體傳感器；波長調製；表麵等離子體；靈敏度
表麵等離子體激元（SPPs）是一種在金屬-介質界麵上激發並耦合電荷密度起伏的電磁振蕩，在垂直於界麵方向呈指數衰減。表麵等離子體共振（SPR）是通過電磁耦合域在兩種介質界麵傳導電子的集體振蕩，它對局部折射率的微小變化非常敏感，可以通過調製入射光的波長來檢測氣體折射率，因而被廣泛應用於遙感應用。SPR曲線通過三個參數來描述：傾角的位置，在傾斜的峰高，共振峰寬度。從傳感器應用角度來看，靠近金屬薄膜表麵這一薄層的折射率變化可以通過測量共振峰光譜位移來實現監測。研究表明，SPR技術可以大大提高入射光波在納米腔天線陣列中的局域耦合電磁場，為了將入射光轉換為SPP模式，我們使用納米腔天線陣列設計出一種新的折射率理論上的高靈敏度氣體傳感器。
顯示了SPR氣體傳感係統裝置圖和納米腔天線陣列三維示意圖（周期Λ，寬度w，厚度h），金屬納米帶的填充比是f=w/Λ，薄膜和納米條均用金屬銀製作，銀膜的厚度大於輻射的穿透深度，可以沉積在熔融石英襯底。
如果入射波的波矢量與等離子體波矢量場相等，就會激發SPR，在金屬矩形納米腔陣列產生交替的正/負電荷。如果入射波的波矢量與等離子體波矢量不匹配，則不能激發SPR，反射Hy和Ex前會在駐波的頂表麵之上對相應的事件領域產生幹擾。此外，入射平麵波在氣體層轉換成一個強大的局域表麵等離子體波（SPW），可以明顯地降低共振峰的寬度，將峰高限製在最小值，從而提高了傳感器的靈敏度。例如當入射波長1550nm時，入射波耦合到氣體層，結果表明，電磁場分量在金屬帶和金屬膜之間顯著增強。
我們使用一個納米腔天線陣列增強局部電磁場來提高折射率氣體傳感器的靈敏度，研究得出，采用波長調製的金屬光柵SPR傳感器的靈敏度隨著波長長度的增加而增加。實踐中，當入射波長為1550nm時，氫氣的靈敏度為～1549.6nm/RIU（ng=1.000132）。還利用嚴格耦合波分析方法（RCWA）比較了在相同參數下的金屬光柵和納米腔天線陣列的SPR傳感器折射率曲線（λ=1550nm，Λ=1400nm，f=0.5，h=20nm，θspr=5.55o，ng=1.000132）。當波長為1550nm時，激發SPR，金屬光柵的反射率約為56%，而納米腔天線陣列的共振峰反射率僅為～0.03%；基於納米腔天線陣列的SPR傳感器的波長分辨率為～3200nm/RIU，這個波長分辨率是基於金屬光柵的SPR折射率傳感器（～1500nm/RIU）的兩倍，實線和虛線分別表示使用波長調製的納米腔天線陣列SPR傳感器及金屬光柵SPR傳感器的SPR波長的DIP位置（靈敏度）。