一种双曲色散结构的表面等离子体共振可调谐生物传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种双曲色散结构的表面等离子体共振可调谐生物传感器，包括从上到下依次设置的棱镜、双曲色散结构和传感基底；所述双曲色散结构由石墨烯薄膜和VO2薄膜交替堆栈形成；所述双曲色散结构表面设置有表面等离子体。本发明专利技术生物传感器通过对石墨烯费米能、温度以及入射波长的调控，从而进一步对双曲色散结构的色散类型进行调控，双曲色散结构的色散类型进一步影响该传感器的灵敏度，本发明专利技术生物传感器可调谐的方式多，操作简单，灵敏度得到了进一步提高。了进一步提高。了进一步提高。

【技术实现步骤摘要】
一种双曲色散结构的表面等离子体共振可调谐生物传感器


[0001]本专利技术涉及光学生物传感器
，具体涉及一种双曲色散结构的表面等离子体共振可调谐生物传感器。

技术介绍

[0002]近些年来，双曲超材料(HMM)作为一种具有双曲色散的电磁超材料，其特异的光学性质吸引了大量研究者的关注。HMM具有双曲等频面，根据平行和垂直方向分量的介电常数的符号，可以将HMM分为I型和II型和II型。人工合成的HMM结构目前主要有两类，分别是嵌在电介质内部的金属纳米线阵列和亚波长的金属与电介质交替组成的堆栈薄膜结构。由于第二类结构制作成本低，加工速度快，以及高灵敏度已经被用在多个领域，如：光波导、负折射率、生物传感器等。
[0003]然而，传统的金属和电介质组成的HMM结构只能在特定的波长段内表现出一个特定的双曲色散特性，其灵敏度也一定，这给研究带来了限制。石墨烯和相变材料的出现打破了这一局面。石墨烯是一种新型二维材料，它的物理特性介于金属与电介质之间，具有高电子迁移率、独特的掺杂能力等特点。特别的是，可以简单地通过栅极电压来控制石墨烯的电导率，从而控制其光学性质。基于石墨烯特定的光学性质和可调性，一些研究者研究了基于石墨烯的双曲色散结构(GHMM)，如：向等人研究了基于石墨烯双曲超材料的临界耦合结构，这个结构可以实现全吸收，并且临界耦合频率可以通过静电偏压改变石墨烯片的费米能级来调节。Kang等人提出基于石墨烯的双曲超材料可以增强GH位移。
[0004]与此同时，VO2作为一种稳定的相变材料，它在临界温度68附近时可由单斜绝缘相变为四方金红石金属相，正是这种独特的性质使其在可调谐方面引起了研究者的关注。Kana J B等人研究了基于热驱动VO2薄膜介电常数开关。
[0005]光学生物传感器具有高灵敏度、无标记、实际监测等特点，近些年来，被广泛用于生物医学领域的研究。其中最突出的就是基于表面等离子体共振(SPR)的生物传感器，它具有稳定性好、灵敏度高等特点。随着GH位移的发现，基于SPR的生物传感器得到了进一步的研究。Luo等人设计一种基于双曲超材料的SPR传感器，它的折射率灵敏度可达10
‑7。但是，目前光学生物传感器可调谐的方式少，操作复杂，灵敏度还可以进一步提高。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本专利技术提出一种双曲色散结构的表面等离子体共振可调谐生物传感器，通过对石墨烯费米能、温度以及入射波长的调节，进而实现对双曲色散结构的色散类型的调控，双曲色散结构的色散类型将进一步影响该传感器的灵敏度。
[0007]本专利技术通过以下技术手段解决上述问题：一种双曲色散结构的表面等离子体共振可调谐生物传感器，包括从上到下依次设
置的棱镜、双曲色散结构和传感基底；所述双曲色散结构由石墨烯薄膜和VO2薄膜交替堆栈形成；所述双曲色散结构表面设置有棱镜可激发表面等离子体共振。
[0008]作为优先地，在亚波长极限下，双曲色散结构具有各向异性介质，它的介电常数张量为：
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(1)这里，，；和分别表示双曲色散结构平行和垂直方向的相对介电常数；
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(2)
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(3)
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(4)这里为石墨烯的填充量，和分别是石墨烯薄膜和VO2薄膜的相对介电常数，为单层石墨烯薄膜的厚度，为单层VO2薄膜的厚度；石墨烯薄膜的电导率由带内电导率和带间电导率组成，：
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(5)
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(6)这里表示虚部，是入射光的频率，是石墨烯的费米能，是电子弛豫时间，e为单电子电荷，，和分别是玻尔兹曼常数和约化普朗克常数；假设石墨烯的电子能带结构不受相邻介质的影响，则表示为：
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(7)这里为真空中的介电常数；基于损耗洛仑磁振荡器模型，作为光子能量E的VO2的复介电常数定义为：
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(8)这里是高频介电常数，是振子振幅，和分别是振子能量和振子阻尼，表示项数；创立一个将光学性质的渐变归因于绝缘相和金属相的叠加：
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(9)是VO2的相对介电常数关于温度的函数，和分别是绝缘相和金属相的介电常数；代表依赖温度的函数，将控制绝缘相向金属相的过渡，它写成： ，其中t表示温度，单位为。
[0009]作为优先地，单层石墨烯薄膜的厚度，单层VO2薄膜的厚度，电子弛豫时间。
[0010]作为优先地，只考虑横波偏振的影响，将双曲色散结构看做一个整体，厚度用表示；对于单独双曲色散结构，利用Fresnel公式可得反射系数r：
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(10)和分别是空气界面到双曲色散结构界面和双曲色散结构界面到空气界面的菲涅耳反射系数，它们写成：
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(11)
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(12)和分别为空气界面和双曲色散结构界面的z方向的波矢分量，
，，是入射光的真空波矢量，为入射角；由稳态相位法可知，双曲色散结构的古斯汉欣位移GH的表达式为：
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(13)其中为入射波长，为相位，d表示求导函数；对于可调谐生物传感器结构，反射系数为：
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(14)和分别是棱镜到双曲色散结构和双曲色散结构到基底的菲涅耳反射系数，它们写成：
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(15)
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(16)、和分别为棱镜界面、双曲色散结构界面和基底界面的z方向的波矢分量；其中，，，为棱镜的折射率，为传感层的折射率；此时生物传感器的古斯汉欣位移：；灵敏度，表示GH位移的差值，表示传感基底的折射率之差。
[0011]作为优先地，石墨烯的费米能影响双曲色散结构的色散区间，相变前后双曲色散结构的介电常数大小发生变化；随着波长的变化，双曲色散结构绝缘相和金属相分别在和时，双曲色散结构色散类型由椭圆色散到I类色散再到II类色散，这种转变是由于石墨烯与VO2金属耦合导致的；I类和II类的色散波段随着石墨烯费米能的增加产生了蓝移并且相变前的有效介电常数大于相变后的介电常数；因此通过调控费米能级和温度分别来控制双曲色散结构色散类型发生的波段和有效介电常数。
[0012]作为优先地，GH位移在I类色散时较大；在绝缘相和金属相的I类色散区间中，GH位移都随着费米能的增加而减小，且VO2相变前的GH位移远大于变相后的；同时，双曲色散结构在I类色散上有较大的GH位移，并且通过调节温度、费米能和波长，对GH位移产生影响。
[0013]作为优先地，表面等离子体能有效增强GH位移，且在传感器结构与单独的双曲色
散结构中，它们的GH位移的变化规律是一样的；在I本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双曲色散结构的表面等离子体共振可调谐生物传感器，其特征在于，包括从上到下依次设置的棱镜、双曲色散结构和传感基底；所述双曲色散结构由石墨烯薄膜和VO2薄膜交替堆栈形成；所述双曲色散结构表面设置有棱镜可激发表面等离子体共振。2.根据权利要求1所述的双曲色散结构的表面等离子体共振可调谐生物传感器，其特征在于，在亚波长极限下，双曲色散结构具有各向异性介质，它的介电常数张量为：
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(1)这里，，；和分别表示双曲色散结构平行和垂直方向的相对介电常数；
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(4)这里为石墨烯的填充量，和分别是石墨烯薄膜和VO2薄膜的相对介电常数，为单层石墨烯薄膜的厚度，为单层VO2薄膜的厚度；石墨烯薄膜的电导率由带内电导率和带间电导率组成，：
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(6)这里表示虚部，是入射光的频率，是石墨烯的费米能，是电子弛豫时间，e为单电子电荷，，和分别是玻尔兹曼常数和约化普朗克常数；假设石墨烯的
电子能带结构不受相邻介质的影响，则表示为：
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(7)这里为真空中的介电常数；基于损耗洛仑磁振荡器模型，作为光子能量E的VO2的复介电常数定义为：
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(8)这里是高频介电常数，是振子振幅，和分别是振子能量和振子阻尼，表示项数；创立一个将光学性质的渐变归因于绝缘相和金属相的叠加：
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(9)是VO2的相对介电常数关于温度的函数，和分别是绝缘相和金属相的介电常数；代表依赖温度的函数，将控制绝缘相向金属相的过渡，它写成： ，其中t表示温度，单位为。3.根据权利要求2所述的双曲色散结构的表面等离子体共振可调谐生物传感器，其特征在于，单层石墨烯薄膜的厚度，单层VO2薄膜的厚度，电子弛豫时间。4.根据权利要求2所述的双曲色散结构的表面等离子体共振可调谐生物传感器，其特征在于，只考虑横波偏振的影响，将双曲色散结构看做一个整体，厚度用表示；对于单独双曲色散结构，利用Fresnel公式可得反射系数r：
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(10)和分别是空气界面到双曲色散结构界面和双曲色散结构界面到空气界面的菲涅耳反射系数，它们写成：
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【专利技术属性】
技术研发人员：张靖，邓冬梅，王修远，周响，丁伊平，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：