一种可见光波段的高fom生化传感器
技术领域
1.本实用新型涉及金属微纳器件领域，尤其涉及一种可见光波段的高fom生化传感器。
背景技术：2.随着近些年纳米材料和纳米结构相关理论研究的不断深入和加工的技术工艺不断发展，亚波长金属光栅成为研究热点之一。利用光栅的衍射特性，具有亚波长金属光栅的光学器件可以实现很多传统光学器件难以实现的光学功能，因此亚波长光栅被广泛应用于滤波、检测、集成光学、光开关、生物传感等多种领域。一般而言，基于亚波长金属光栅的传感器要么是利用金属表面等离激元共振实现传感，要么是利用平面波导层与介质光栅结构产生导模共振(gmr)模式，对相应的共振波长对周围环境折射率的变化非常敏感，从而实现传感功能。
3.本实用新型的目的在于提供一种结构简单的可见光波段高fom生化传感器，旨在同时获得较高的s和fom传感指标。
技术实现要素：4.本实用新型的目的在于提供一种可见光波段的高fom生化传感器，旨在同时获得较高的s和fom传感指标，并简化传感器结构。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了一种可见光波段的高fom生化传感器，包括多层膜结构、周期性亚波长金属光栅阵列和石墨烯层，所述多层膜结构包括多个高低折射率介质层混合结构和低折射率衬底，所述高低折射率介质层混合结构由上层的低折射率层和下层的高折射率层构成，多个所述高低折射率介质层混合结构依次连接，所述低折射率衬底设置于多个所述高低折射率介质层混合结构底部，所述石墨烯层包括高折射层、石墨烯层本体和腔结构层，所述高折射层设置在所述高低折射率介质层混合结构顶部，所述石墨烯层本体设置在所述高折射层顶部，所述腔结构层设置在所述石墨烯层顶部，所述周期性亚波长金属光栅阵列设置在所述腔结构层顶部。
6.其中，所述高低折射率介质层混合结构的数量为两个。
7.其中，所述高低折射率介质层混合结构的低折射率层的厚度为50～200nm，所述高低折射率介质层混合结构中的高折射率层的厚度为200～250nm。
8.其中，所述周期性亚波长金属光栅阵列由多个平行放置的亚波长金属光栅构成，所述亚波长金属光栅的宽度为380～420nm，厚度为30～50nm，阵列周期为450～550nm。
9.其中，所述腔结构的腔宽为250～350nm，腔长为40～80nm。
10.其中，所述石墨烯层的低折射率层厚度为50～150nm，所述石墨烯层的高折射率层的厚度为150～300nm。
11.第二方面，本实用新型提供一种可见光波段的高fom生化传感器的应用，包括观测所述高fom生化传感器共振波长的漂移即实现对工业生产中重油含水百分比的实时动态监
测。
12.本实用新型的一种可见光波段的高fom生化传感器，当入射光照射周期性金属光栅表面时候，会产生衍射效应，衍射光子的再分配会导致wood异常现象。其中：λ
wood
＝p*n，n是外界环境折射率，p是纳米结构的周期。根据公式s＝δλ/δn＝p*δn/δn＝p，就可以近似得到传感特性。同时，多层膜结构中的导模与金属光栅处的sp模式耦合，导致抑制传输的混合sp模式。并且tm偏振的光可以激发纳米狭缝内的空腔共振，产生支持光传输的腔模式。因此，基于抑制模和传输模的协同效应，即通过调制混合sp模来剪裁由腔模产生的透射峰边缘，就可以获得具有半宽全高(fwhm)比较小的透射峰。根据透射峰波长的偏移可以实现对外界环境折射率变化的动态实时监测。通过优化高/低折射率高低折射率介质层混合结构的厚度、腔结构的腔长与腔宽和光栅的宽度与高度和周期性亚波长金属光栅阵列周期的结构参数，可以调节传感器的灵敏度和品质因数，使传感器的两个综合评价指标能够同时达到较高的水平。
附图说明
13.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1是本实用新型的一种可见光波段的高fom生化传感器的结构图；
15.图2是本实用新型的不同含水百分比下传感器共振波长的飘移图；
16.图3是本实用新型的重油含水百分比与共振波长的线性拟合关系图。
17.1-多层膜结构、2-周期性亚波长金属光栅阵列、3-石墨烯层、11-高低折射率介质层混合结构、12-低折射率衬底、31-高折射层、32-石墨烯层本体、33-腔结构层、111-低折射率层、112-高折射率层。
具体实施方式
18.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
19.请参阅图1～图3，本实用新型提供一种可见光波段的高fom生化传感器，包括：多层膜结构1、周期性亚波长金属光栅阵列2和石墨烯层3，所述多层膜结构1包括多个高低折射率介质层混合结构11和低折射率衬底12，所述高低折射率介质层混合结构11由上层的低折射率层111和下层的高折射率层112构成，多个所述高低折射率介质层混合结构11依次连接，所述低折射率衬底12设置于多个所述高低折射率介质层混合结构11底部，所述石墨烯层3包括高折射层31、石墨烯层本体32和腔结构层33，所述高折射层31设置在所述高低折射率介质层混合结构11顶部，所述石墨烯层本体32设置在所述高折射层31顶部，所述腔结构层33设置在所述石墨烯层3顶部，所述周期性亚波长金属光栅阵列2设置在所述腔结构层33顶部。所述高低折射率介质层混合结构11的数量为两个。
20.在本实施方式中，所述高折射层31和高折射率层112的结构相同，本实用新型通过采用时域有限差分法(fdtd)模拟该传感器件结构的最小周期结构，并设置相应的边界条件进行仿真，测得相应的仿真结果，通过该仿真数据证明该高fom生化传感器件结构的有益效果。入射光是tm偏振的平面波，垂直入射周期性亚波长金属光栅阵列2结构表面。x、y方向采用周期边界条件；z方向采用完美匹配层(pml)边界条件。其中，各个参数优选如下：周期性亚波长金属光栅阵列2周期p＝500nm，亚波长金属光栅宽度w＝400nm，金属光栅厚度t＝40nm，石墨烯层3中低折射率层33厚度t
l1
＝100nm，高折射率层31的厚度t
h1
＝250nm，腔结构的腔宽wq＝380nm，腔长tq＝80nm，高低折射率介质层混合结构11厚度t
l
＝100nm，高折射层112(hid)厚度th＝250nm，腔结构的腔宽wq＝380nm，腔长tq＝80nm。
21.周期性亚波长金属光栅的材料选择金属银(ag)，低折射率介质的材料选择二氧化硅(sio2),高折射率介质的材料选择氮化硅(si3n4)。金属银、二氧化硅、氮化硅的介电常数采用palik手册中的模型。
22.当入射光照射周期性金属光栅表面时候，会产生衍射效应，衍射光子的再分配会导致wood异常现象。其中：λ
wood
＝p*n，n是外界环境折射率，p是纳米结构的周期。根据公式s＝δλ/δn＝p*δn/δn＝p，就可以近似得到传感特性。同时，多层膜结构1中的导模与金属光栅处的sp模式耦合，导致抑制传输的混合sp模式。并且tm偏振的光可以激发纳米狭缝内的空腔共振，产生支持光传输的腔模式。因此，基于抑制模和传输模的协同效应，即通过调制混合sp模来剪裁由腔模产生的透射峰边缘，就可以获得具有半宽全高(fwhm)比较小的透射峰。根据透射峰波长的偏移可以实现对外界环境变化的动态实时监测。通过优化高/低折射率高低折射率介质层混合结构11的厚度、腔结构的腔长与腔宽和周期性亚波长金属光栅阵列2周期p的结构参数，可以调节传感器的灵敏度和品质因数，使传感器的两个综合评价指标能够同时达到较高的水平。
23.本实用新型提供了一种可见光波段的高fom生化传感器件的设计。根据数值模拟得到的透射光谱，如图2所示。当光栅的宽度与高度和周期性亚波长金属光栅阵列周期为500nm时，通过改变外界环境折射率，观测到共振峰发生变化，可以计算出其灵敏度为499.9nm/riu，fwhm＝3nm，fom＝499.9/3＝166.6riu-1
24.，因此我们认为该传感器件能同时获得较高的灵敏度和品质因数。
25.除了上述选择的参数以外，可选的参数范围还包括所述低折射率高低折射率介质层混合结构11厚度为50～200nm，所述折射率高低折射率介质层混合结构11的厚度为200～250nm。所述周期性亚波长金属光栅阵列2由多个平行放置的亚波长金属光栅构成，所述亚波长金属光栅的宽度为380～420nm，厚度为30～50nm，阵列周期为450～550nm。所述石墨烯层中低折射率层厚度为50～150nm，所述石墨烯层中高折射率层的厚度为150～300nm，所述腔结构的腔宽为250～350nm，腔长为40～80nm。
26.第二方面，本实用新型提供一种可见光波段的高fom生化传感器的应用，包括观测所述高fom生化传感器共振波长的漂移即实现对工业生产中重油含水百分比的实时动态监测。
27.本实用新型所提结构的外界环境折射率变化范围是依据对含水重油的模拟得到的。当重油的含水量比较高时，水的汽化会降低燃烧温度和发热量，影响金属冶炼设备的正常运行，所以针对这种问题，需要监测其含水百分比。含水重油的折射率和所含水体积百分
比的公式为：
28.lnn＝dlnn1+(1-d)lnn229.其中n为含水重油的折射率，n1代表纯水的折射率，n2代表纯重油的折射率，d代表重油含水体积的百分比。
30.表1重油含水百分比与折射率的对照
[0031][0032]
本实用新型提供了一种可见光波段的高fom化学传感器件的设计。根据数值模拟得到的透射光谱，并将含水百分比与对应的共振波长数据进行拟合，如图2、3所示。通过改变外界环境折射率，观测到共振峰发生变化。可以计算出其灵敏度为499.9nm/riu，fwhm＝3nm，fom＝499.9/3＝166.6riu-1，因此我们认为该传感器件能同时获得较高的灵敏度和品质因数。并且共振峰的波长与含水百分比之间呈良好的线性关系，因此该传感结构具有良好的稳定性，通过观测共振波长的漂移即可实现对工业生产中重油含水百分比的实时动态监测。
[0033]
以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属于实用新型所涵盖的范围。
技术特征：1.一种可见光波段的高fom生化传感器，其特征在于，包括多层膜结构、周期性亚波长金属光栅阵列和石墨烯层，所述多层膜结构包括多个高低折射率介质层混合结构和低折射率衬底，所述高低折射率介质层混合结构由上层的低折射率层和下层的高折射率层构成，多个所述高低折射率介质层混合结构依次连接，所述低折射率衬底设置于多个所述高低折射率介质层混合结构底部，所述石墨烯层包括高折射层、石墨烯层本体和腔结构层，所述高折射层设置在所述高低折射率介质层混合结构顶部，所述石墨烯层本体设置在所述高折射层顶部，所述腔结构层设置在所述石墨烯层顶部，所述周期性亚波长金属光栅阵列设置在所述腔结构层顶部。2.如权利要求1所述的一种可见光波段的高fom生化传感器，其特征在于，所述高低折射率介质层混合结构的数量为两个。3.如权利要求1所述的一种可见光波段的高fom生化传感器，其特征在于，所述高低折射率介质层混合结构的所述低折射率层的厚度为50～200nm，所述高低折射率介质层混合结构中的高折射率层的厚度为200～250nm。4.如权利要求1所述的一种可见光波段的高fom生化传感器，其特征在于，所述周期性亚波长金属光栅阵列由多个平行放置的亚波长金属光栅构成，所述亚波长金属光栅的宽度为380～420nm，厚度为30～50nm，阵列周期为450～550nm。5.如权利要求1所述的一种可见光波段的高fom生化传感器，其特征在于，所述腔结构的腔宽为250～350nm，腔长为40～80nm。6.如权利要求1所述的一种可见光波段的高fom生化传感器，其特征在于，所述石墨烯层的低折射率层厚度为50～150nm，所述石墨烯层的高折射率层的厚度为150～300nm。
技术总结本实用新型涉及金属微纳器件领域，具体涉及一种可见光波段的高FOM生化传感器，高低折射率介质层混合结构由上层的低折射率层和下层的高折射率层构成，多个高低折射率介质层混合结构依次连接，低折射率衬底设置于多个高低折射率介质层混合结构底部，石墨烯层的高折射层设置在高低折射率介质层混合结构顶部，石墨烯层本体设置在高折射层顶部，腔结构层设置在石墨烯层顶部，周期性亚波长金属光栅阵列设置在腔结构层顶部。通过优化高/低折射率高低折射率介质层混合结构的厚度、腔结构的腔长与腔宽和光栅的宽度与高度和周期性亚波长金属光栅阵列周期的结构参数以调节传感器的灵敏度和品质因数，使传感器的综合评价指标能够达到高水平。高水平。高水平。
技术研发人员：郭玲 柳亚捷 杨宏艳 银珊 马峻
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2021.10.19
技术公布日：2022/7/5
