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陈沁课题组:超材料吸收器与微流的一体化集成

2017-01-19

  折射率传感技术是生化传感应用的代表性技术之一,其通过光学测量手段来感知生化反应引起的光强和光学结构谐振波长等的变化,从而获得实时检测分析的能力。

  近年来,太赫兹波检测技术得到越来越多的关注,尤其众多生物分子和化学物质在太赫兹波段特有的光谱指纹非常有利于提高其被检测限。

  目前,各种电磁场强限制的谐振结构尤其是超材料结构被广泛用于太赫兹传感器,然而现有技术基本都采用谐振模式的消逝场进行被测物的传感检测,受限于太赫兹波的长波长和这种电磁场分布的特点,传感灵敏度难以提高。

  近期,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所陈沁课题组提出超材料吸收器结构与微流通道一体化集成的折射率传感器方案。受益于其特有的谐振局域场传感机制,该传感器在4-9 THz波段展现了高达3.5 THz/RIU的灵敏度,可实现折射率变化小于0.002的检测限。相关成果发表在Laser & Photonics Reviews [10, 962 (2016)]上。

图1 超材料吸收器与微流一体化集成太赫兹传感器示意图。

  基于金属/介质/金属三层结构的超材料吸收器是一种将谐振的入射光完全局域化的人工电磁结构。通常技术方案都是将输送检测物质的微流通道集成到金属微结构层表面(图2a),此时局域的电磁场与微流通道的空间重叠非常有限(图2b),限制了器件传感性能。该课题组将超材料吸收器与微流通道进行如图1和图2d所示的一体化集成,此时两金属层中间是一个双功能层:既作为超材料吸收器中的介质层,又作为微流通道。强局域的谐振电磁场与微流通道中的被测物质具有非常高的空间重叠(图2e),由此便实现了太赫兹波与物质间的相互作用的增强,从而大大提高了传感灵敏度,即不同折射率材料对应谐振峰位的移动量增大(对比图2c和2f)。


图2 (a)和(d)分别是微流通道与超材料吸收器表面集成和一体化集成两种方案的传感器结构剖面图; (b)和(e)分别是两种方案的谐振场分布,白色虚线框显示微流通道的位置; (c)和(f)分别是两种方案对应的不同折射率材料的反射光谱。

  这一研究工作的实验结果与器件设计取得了很好的吻合。相比于常用的消逝场光学传感技术而言,这一传感器的性能得到了显著提高。整个器件的设计仅需采用普通的微加工技术,制作工艺简单,适合大规模应用。而且,这种局域谐振光场的传感机制不限于太赫兹波,还可以扩展到红外和可见光波段,这对于推进光学折射率传感技术在生化检测分析的应用具有积极作用。

  论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.201600064/full