一种幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器及其制造方法。该分子传感器由半绝缘砷化镓衬底两侧分别设有太赫兹光电导天线和电磁谐振单元阵列构成，所述太赫兹光电导天线由两个T形电极呈镜像对称分布构成；每个T形电极的横轴部分为外电极，纵轴部分为内电极，所述内电极的头端与外电极衔接；所述电磁谐振单元阵列为周期性十字架电磁谐振单元阵列。本发明专利技术通过将太赫兹光导天线与周期性金属谐振单元的距离缩短到3THz波长的范围内，利用近场增强提高了偶极子振荡的局部强度，增强太赫兹电磁谐振模式的强度，提高谐振模式的品质因子，从而提高THz分子检测的灵敏度和空间分辨率，简化了整个检测光谱系统的光学元件布局。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太赫兹技术和半导体微加工
，具体涉及一种用于生物医学和化学检测的幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器及其制造方法。
技术介绍
太赫兹(THz)波段是指频率在1012Hz，对应波长为300μm，对应能级为0.41-41meV)范围内的电磁波。这一波段的能量正好与生物大分子的振动能级、偶极子的旋转能级和振动跃迁的能级相吻合，从而使得太赫兹(THz)技术在生物医学研究、化学品检验等方面显示了巨大的应用潜力。目前，用来研究生物化学分子主要运用标准太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)，通过一对离轴抛物面镜(Off-axis parabolic mirror)将微瓦量级的THz波聚焦到样品表面，然后再次利用一对离轴抛物面镜将透射THz波聚焦到THz接收天线或者电光采样晶体上，从而获得生物化学分子的特征信号。一般离轴抛物面镜焦距远大于太赫兹波长，按照电磁波理论，所获得的THz透射是在远场条件下得到的，在原理上存在着一个远场THz衍射极限，最小焦斑不超过THz半波长(λ/2)，在检验微量化学品或生物分子时，THz焦斑必须覆盖整个样品表面，当样品含量微小时，THz探测的灵敏度会受到影响。此外，THz光学元件的瑕疵、像差，以及光学元件准值引起的误差，进一步影响了入射THz波与样品耦合的效率，从而限制了THz光谱的空间分辩率。如何在低能耗、低成本条件下，对成份复杂，含量微小的生物化学分子实施快速高精度检测，成为了THz技术应用于生物医学研究、微量化学品检验领域所面临的主要问题。目前，基于亚波长尺寸的周期性人工微结构阵列，被认为解决上述问题的主要方案之一。如果将微量生物或化学分子样品添加到亚波长尺寸的周期性人工微结构谐振单元中，就会改变金属与半导体界面的介电环境，影响类表面等离子体(Spoof surface plasmon)的传播特性，从而改变透射峰的位置，迅速识别分子的种类。但是，当THz波激发密集的多个周期性人工微结构谐振单元中时，散射效应引起电磁共振峰增宽，THz耦合效率降低，从而导致器件品质因子(Q因子)的下降，限制了THz传感的灵敏度以及空间分辨率。
技术实现思路
本专利技术瞄准当前太赫兹技术在生物医学和化学品检测领域的应用需求，提供了一种幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器及其制造方法。本专利技术的第一目的在于提供一种幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器，由半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底两侧分别设有太赫兹光电导天线和电磁谐振单元阵列构成，所述半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底的厚度为625μm，尺寸1cm×1cm；所述太赫兹光电导天线由两个T形电极呈镜像对称分布构成；每个T形电极的横轴部分为外电极，纵轴部分为内电极，所述内电极的头端与外电极衔接；两个内电极末端处间距为50μm；所述电磁谐振单元阵列为周期性十字架电磁谐振单元阵列，所述十字架电磁谐振单元具有中心对称结构，阵列周期为66.66μm；所述太赫兹光电导天线和周期性十字架电磁谐振单元阵列均由5nm厚的钛金属层和120nm厚的黄金层构成。进一步的，所述T形电极的外电极长10mm、宽2mm；所述T形电极的内电极的长度为2.975mm(其中矩形部分长度2mm，三角形部分底边到倒角的长度为0.975mm)，所述内电极的末端呈等腰直角三角形且在直角处设有25√2*45°的倒角。进一步的，所述两个T形电极内电极末端处的中心对顶角角度90°。进一步的，每个十字架电磁谐振单元形成在66.66μm×66.66μm的矩形区域上，每个十字架电磁谐振单元的横轴与纵轴尺寸相等，均为长24μm、宽4μm，横轴下边沿与纵轴底部的距离为10μm，纵轴顶部到横轴上边沿的距离为10μm，纵轴从横轴的正中间穿过，纵轴的中心线与66.66μm×66.66μm矩形区域的中心线重合。进一步的，所述太赫兹光电导天线所覆盖的区域面积为10mm×10mm的矩形区域，与所述电磁谐振单元阵列所覆盖的区域面积相同；其中，所述电磁谐振单元阵列所覆盖的区域面积包括多个相邻设置的66.66μm×66.66μm的矩形区域，每个66.66μm×66.66μm的矩形区域上形成有一个十字架电磁谐振单元。本专利技术的第二目的在于提供上述太赫兹近场激发型分子传感器的制造方法，包括如下步骤：第一步：将半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于去离子水中，并超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后将表面吹干；第二步：将光刻胶滴在半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面，并进行匀胶、甩胶操作，使得胶厚<1.5μm；第三步：对涂胶后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底进行操作，固化光刻胶；第四步：将光掩膜版十字架阵列图形转移到半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上，并显影、清洗；第五步：在干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上依次镀上5nm厚的钛和120nm厚的金；先蒸发十字架阵列金属层，再蒸发光电导天线金属层；先蒸发周期性十字架电磁谐振单元阵列的金属层，再蒸发太赫兹光电导天线的金属层；第六步：将金属化后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)浸泡在预先准备好的99.999％纯度丙酮溶剂中，利用丙酮渗透固化后的光刻胶，将胶面上的金属剥离SI-GaAs表面，而没有光刻胶保护的金属部分留在SI-GaAs上，从而获得太赫兹近场激发型分子传感器。进一步的，在第一步中，将半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于去离子水中，并在10kHz频率的超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后用高压氮气将表面吹干。进一步的，在第二步中，将干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于旋涂台上，在黄光条件下将AZ1500型光刻胶滴在半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面，并立即以600r/min的低转速进行匀胶，维持10s后，转速直接提高到3000r/min的高转速进行甩胶，维持60s，使得胶厚<1.5μm。进一步的，在第三步中，涂胶后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底被放置于110℃的烘胶台上进行60s的烘焙，固化光刻胶。进一步的，在第四步中，将涂有光刻胶的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底转移到URE-2000/35型紫外光刻机上，在样品表面曝光60s后，将光掩膜版十字架阵列图形转移到半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上，然后在显影液中显影45s，并转移到去离子水漕中清洗60s，取出后立即用压缩氮气吹干半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面。进一步的，第五步：将干燥后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于热蒸发镀膜仪样品支架上，然后分别将盛有纯度为99.999％的钛粉末和99.999％的金粉末的钨舟连接到两组不同的电极中，关闭蒸发腔室后启动真空泵，将腔室内压强从标准大气压降低到10-4mbar，然后开启连通钛金属的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加到5nm为止，以0.1nm/s的蒸发率，持续200s后切断连通钛金属的电源，并连通含金钨舟的电源，并提高电流强度，直到膜厚检测器显示厚度增加到120nm为止，以0.5nm/s的蒸发率，持续500s后切断电源，冷却600s后逐级关闭真空泵，等腔室内压强回归标准大气压后打开蒸发腔，取出样品。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及突出效果：本专利技术提出的太赫兹近场激发型分子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器，由半绝缘砷化镓(SI‑GaAs)衬底两侧分别设有太赫兹光电导天线和电磁谐振单元阵列构成，其特征在于：所述半绝缘砷化镓(SI‑GaAs)衬底的厚度为625μm，尺寸1cm×1cm；所述太赫兹光电导天线由两个T形电极呈镜像对称分布构成；每个T形电极的横轴部分为外电极，纵轴部分为内电极，所述内电极的头端与外电极衔接；两个内电极末端处间距为50μm；所述电磁谐振单元阵列为周期性十字架电磁谐振单元阵列，所述十字架电磁谐振单元具有中心对称结构，阵列周期为66.66μm；所述太赫兹光电导天线和周期性十字架电磁谐振单元阵列均由5nm厚的钛金属层和120nm厚的黄金层构成。

【技术特征摘要】
1.一种幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器，由半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底两侧分别设有太赫兹光电导天线和电磁谐振单元阵列构成，其特征在于：所述半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底的厚度为625μm，尺寸1cm×1cm；所述太赫兹光电导天线由两个T形电极呈镜像对称分布构成；每个T形电极的横轴部分为外电极，纵轴部分为内电极，所述内电极的头端与外电极衔接；两个内电极末端处间距为50μm；所述电磁谐振单元阵列为周期性十字架电磁谐振单元阵列，所述十字架电磁谐振单元具有中心对称结构，阵列周期为66.66μm；所述太赫兹光电导天线和周期性十字架电磁谐振单元阵列均由5nm厚的钛金属层和120nm厚的黄金层构成。2.根据权利要求1所述的幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器，其特征在于：所述T形电极的外电极长10mm、宽2mm；所述T形电极的内电极的长度为2.975mm，所述内电极的末端呈等腰直角三角形且在直角处设有25√2*45°的倒角。3.根据权利要求1所述的幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器，其特征在于：每个十字架电磁谐振单元形成在66.66μm×66.66μm的矩形区域上，每个十字架电磁谐振单元的横轴与纵轴尺寸相等，均为长24μm、宽4μm，横轴下边沿与纵轴底部的距离为10μm，纵轴顶部到横轴上边沿的距离为10μm，纵轴从横轴的正中间穿过，纵轴的中心线与66.66μm×66.66μm矩形区域的中心线重合。4.根据权利要求1-3任一项所述的幅度可调的太赫兹近场激发型分子传感器，其特征在于：所述太赫兹光电导天线所覆盖的区域面积为10mm×10mm的矩形区域，与所述电磁谐振单元阵列所覆盖的区域面积相同，其中，所述电磁谐振单元阵列所覆盖的区域面积包括多个相邻设置的66.66μm×66.66μm的矩形区域，每个66.66μm×66.66μm的矩形区域上形成有一个十字架电磁谐振单元。5.根据权利要求1-4任一项所述的太赫兹近场激发型分子传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步：将半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底置于去离子水中，并超声环境中清洗，去除表面残留颗粒物，然后将表面吹干；第二步：将光刻胶滴在半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底表面，并进行匀胶、甩胶操作，使得胶厚<1.5μm；第三步：对涂胶后的半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底进行操作，固化光刻胶；第四步：将光掩膜版十字架阵列图形转移到半绝缘砷化镓(SI-GaAs)衬底上，并显影、...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵振宇，宋志强，郑孝波，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31