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基于模板复制的纳米平顶金字塔结构用于折射率传感研究
作者: irglass 时间: 2024-04-28 浏览:284 次

       近日,我室邹秋顺副教授(第一作者)、沈祥研究员(通讯作者)在光学传感研究领域取得进展,并在ACS Applied Nano Materials (IF=5.9) 期刊上发表题为“Template Stripped Truncated Nanoscale Pyramid Arrays for Refractive Index Sensing”的封面论文,链接:https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/acsanm.4c00857

       表面等离激元纳米结构因其亚波长光场束缚特性而在增强光与物质相互作用、纳米激光、生物传感等纳米光子学领域内具有广阔的应用前景。由于光场局域在金属纳米结构表面,且能在纳米尺度下有效增强光与物质相互作用,使得其对周围介质环境的折射率变化异常敏感,一个典型应用是用于制备高性能的折射率传感器。例如,基于金属-介电复合材料或全介电材料的各种微纳结构通常被用于构建折射率传感器。然而,由于金属结构中存在较大的光学本征损耗和辐射阻尼,实现高性能的折射率传感并非易事。

       本论文理论上提出并实验上证实了基于模板复制的纳米平顶金字塔阵列结构可用于构建高性能的折射率传感器。图1展示了单个纳米平顶金字塔结构的结构参数及其制备的工艺流程图,研究发现,基于模板复制的方法可以很好地制备出表面光滑的平顶金字塔阵列,其表面粗造度低至0.31nm,能有效减小其表面散射以提升光学性能。另外,通过调控其结构参数能有效调控其光学反射特性,如图2所示,测量发现其光学模式线宽低至14 nm,理论分析可知该共振模式主要来源于FP和SPP的耦合,实验上证实其折射率传感灵敏度可达829 nm/RIU。通过增加平顶纳米金字塔的尺寸,还可实现了折射率传感的品质因子(FOM)为80.3,此时线宽降至9 nm。与许多其他的RI传感器相比,基于平顶金字塔的折射率传感器在灵敏度和/或FOM方面具有优势。可以预见的是,纳米平顶金字塔结构设计将为生物医学传感、光学元件研发、环境监测、食品安全管理和气体监测等应用提供一个有前景的平台。

图1. (a)单个纳米平顶金字塔结构的示意图; (b)基于模板复制的平顶金字塔结构工艺流程图;(c-d)不同视角下纳米平顶金字塔阵列的SEM图。

图2. (a)光谱测量的示意图;(b)纳米平顶金字塔阵列的反射特性;(c)不同尺寸的纳米平顶金字塔阵列结构及其反射光谱。