【摘 要】
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光学生物传感器在生物医学检测领域一直都是一个热门的研究方向。其中基于表面等离激元的超材料传感器由于对表面金属纳米结构以及周围介质有强敏感特性,在气体分子以及溶液折射率探测上具有显著优势。光学超材料作为人工设计材料有着独特光学性质,并且加工完成后体积结构小巧轻薄利于集成。但是传统光学超材料缺乏可调谐性,一旦加工完成就无法再调整光学性质,大大限制了其在实际环境中的应用。本文采用了相变材料二氧化钒以及二
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光学生物传感器在生物医学检测领域一直都是一个热门的研究方向。其中基于表面等离激元的超材料传感器由于对表面金属纳米结构以及周围介质有强敏感特性,在气体分子以及溶液折射率探测上具有显著优势。光学超材料作为人工设计材料有着独特光学性质,并且加工完成后体积结构小巧轻薄利于集成。但是传统光学超材料缺乏可调谐性,一旦加工完成就无法再调整光学性质,大大限制了其在实际环境中的应用。本文采用了相变材料二氧化钒以及二维各向异性材料阿尔法三氧化钼分别设计了两种不同工作原理的光学超材料传感器应用,并且工作波段都在可见光范围。一种是可以从自由空间激发布鲁斯特模式的可调谐双曲超材料传感器,采用VO2为电介质层材料。使用传输矩阵方法扫描计算了双曲超材料结构的布鲁斯特角,在布鲁斯特角下得到了相位的突变并计算出对应的Goos-H?nchen位移。设计好的传感器在相变前对溶液折射率变化检测最高达到6.75?106 nm RIU-1的超高灵敏度,相变后则只有350nm RIU-1的低灵敏度。该基于相变材料VO2的可调谐光学生物传感器可以通过从外部施加能量改变VO2的状态,以此来调谐高低灵敏度的两种工作模式,灵活应对不同的测量量程需求,具有高敏灵性。另一种是基于α-Mo O3的可调谐金属介质金属三层结构光学生物传感器。α-Mo O3在x和y两种晶向上的介电常数都不同,因此无需从外部施加能量,只要改变入射光的极化状态或者旋转传感器平台就可以对其进行调谐。使用有限时域差分计算软件FDTD Solutions,对MIM结构进行电磁场计算。设计好的MIM结构在可见光范围有着明显的特征吸收峰,且吸收峰峰值会因为改变入射光的极化状态而产生位移。通过改变中间电介质层厚度来优化MIM传感器在可见光范围内的特征吸收峰,增加它对环境折射率变化的敏感性,就能够在溶液折射率检测中最高达到460nmRIU-1的灵敏度。通过改变入射光极化角度,可以对传感器的工作波长范围进行5nm左右的调节。设计好的光学生物传感器,分别可以通过外部施加能量和改变入射光极化角度来实现可调谐功能,并在可见光范围分别最高能得到6.75?106 nm RIU-1和460nm RIU-1的灵敏度。为未来光学生物传感器的研究和应用设计提供了全新的思路,对医学诊断和定点看护有着重大作用。
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