多频段表面等离子体共振传感结构研究

【摘要】：表面等离子体共振(Surface plasmon resonance,SPR)是局域在金属表面的自由电子被光波照射,在适当的条件下发生集体振荡的一种特殊物理现象。它可以产生很强的局域电场,对周围环境介质的折射率变化非常敏感,由此产生的表面等离子体共振技术已经在高灵敏生物、化学传感器等领域得到了广泛的应用。随着SPR传感技术在不同领域的深入研究,利用金属纳米颗粒或金属纳米颗粒阵列的局域表面等离子体共振(Local surface plasmon resonances,LSPR)传感技术,成为SPR传感器研究的一个重要方向。本文针对传统表面等离子共振传感器敏感元件由于是平面均匀结构,在工作频率范围内通常是单共振峰模式,不适用于多频段、多通道传感检测环境的问题。首先研究了一种嵌入式菱形纳米金阵列的表面等离子共振传感结构,然后探讨了其可以在多频段工作的原因,最后将所研究的周期性阵列结构应用于SPR传感器,并分析了该结构的传感性能。主要内容如下:1.基于本征值方程及时域有限差分(FDTD)算法,对嵌入二氧化硅衬底的菱形纳米金阵列的表面等离子共振效应进行深入的研究,导出共振模式随嵌入深度变化的关系式。数值计算结果与仿真模拟一致,验证了金纳米颗粒阵列上下介质的不对称性可以等效为单层介质光栅的合理性。理论分析了透射谱中产生多个共振峰的物理机制与影响因素,对多频段工作的SPR传感器敏感元件的设计与制作具有较好的指导意义。2.在上述研究的基础上,进一步探讨了嵌入深度、长短轴比例、周期尺寸等参数对透射谱的影响,分析了这种结构作为SPR传感器敏感元件的传感特性。从仿真模拟所得的数据可以看出基于嵌入式菱形纳米金阵列的SPR传感基底结构具有优越的性能,在给定的结构参数下,三个共振峰对应的折射率灵敏度分别为525.0nm/RIU、428.8nm/RIU和262.5nm/RIU,品质因子分别为33.4、32.2和64.0,均满足常规SPR传感器的性能指标要求。