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表面等离激元生物传感器的研制与传感特性研究

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表面等离激元生物传感器的研制与传感特性研究

作者：张璐南京信息工程大学

学位级别：硕士

表面等离子体激元是发生在金属和电介质界面上的电子集体振荡现象。由于其具有突破衍射极限、近场增强等特性,被广泛应用到高灵敏度的传感器设计中,在环境监测、生物、食品安全等方面有着广阔的前景。本论文主要研究了表面等离激元生物... 详细信息

表面等离子体激元是发生在金属和电介质界面上的电子集体振荡现象。由于其具有突破衍射极限、近场增强等特性,被广泛应用到高灵敏度的传感器设计中,在环境监测、生物、食品安全等方面有着广阔的前景。本论文主要研究了表面等离激元生物传感器的制备及其传感特性,以下是本论文的主要研究内容:提出了一种具有平坦传感表面的光栅耦合表面等离子体传感平台。通过市售的光盘中的螺旋光栅,结合聚合物填充和金属膜涂层形成微型传感器,可以实现几微米的尺寸,且不需要复杂的光学准直。利用时域有限差分法对结构的光学性质进行研究,并通过改变结构的几何参数,研究了结构激发的表面等离激元模式和法布里-珀罗模式对几何参数的依赖性。最后基于结构的双模式机制,将其应用于折射率和压力感测,并通过实验获得了494 nm/RIU的折射率灵敏度和131.5 nm/MPa的压力灵敏度。提出了一种制备环形腔阵列的新方法,通过自组装聚苯乙烯纳米球阵列、旋涂法和纳米球光刻法制备环形腔阵列。在提出的新方法中,纳米球自组装和旋涂法的使用大大减小了环形腔阵列的制备周期,并且也使其基底具有可选择性。利用时域有限差分法对环形腔结构的光学性质进行研究,通过改变结构的几何尺寸,实现了对圆柱形表面等离激元共振波长的调控。另外,我们通过实验实现了折射率和表面等离激元共振波长之间的高相关性,获得了1050 nm/RIU的折射率灵敏度。最后,利用该环形腔阵列实现了抗原-抗体的检测。

关键词：表面等离激元微纳结构折射率传感生物检测

等离激元表面晶格共振光纤传感器的设计制备与传感特性研究

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等离激元表面晶格共振光纤传感器的设计制备与传感特性研究

作者：张思嘉南京信息工程大学

学位级别：硕士

表面等离激元是一种常见于金属和电介质界面上的电磁波,其具有突破衍射极限、近场增强等优点。值得注意的是,当金属纳米粒子排列成有序的大面积阵列时,由整个阵列产生的衍射波与单粒子共振耦合形成的等离激元表面晶格共振,可以使共振急... 详细信息

表面等离激元是一种常见于金属和电介质界面上的电磁波,其具有突破衍射极限、近场增强等优点。值得注意的是,当金属纳米粒子排列成有序的大面积阵列时,由整个阵列产生的衍射波与单粒子共振耦合形成的等离激元表面晶格共振,可以使共振急剧窄化,从而提升品质因子。同时,光纤作为一种理想的光传输介质,将设计的金属微纳结构与其结合,可使传感设备具有尺寸小、灵活性高等优点。本文主要提出了一种周期性金属微纳结构,研究了各个参量对等离激元表面晶格共振的调控能力,以此为基础制备了三种光纤端面传感器。具体研究工作如下:(1)提出了一种基于金纳米圆盘的六边形阵列,该结构产生了等离激元表面晶格共振和局域表面等离激元两种模式。详细研究了各个参量对等离激元表面晶格共振的影响,其中折射率匹配程度、阵列周期和圆盘半径具有较大调控能力。当光垂直入射时,匹配的上下层折射率,可以有效改善等离激元表面晶格共振。阵列周期和圆盘半径同样影响其共振强度、共振波长以及共振线宽。同时将该结构应用于折射率传感,可获得483 nm/RIU的灵敏度,传感器品质因数FOM最高能达187 RIU。(2)提出了一种基于等离激元表面晶格共振的金属微纳结构光纤端面传感器,通过自组装纳米球工艺可将上述金纳米圆盘六边形阵列大面积地制备于光纤端面。通过实验测试,该结构的折射率灵敏度为214 nm/RIU,优化参数后其灵敏度可达557 nm/RIU。此外,成功将该结构应用在抗原-抗体识别检测中,通过监测共振波长的偏移,证明了该结构在生物医疗传感方面的应用潜力。(3)以光纤端面金纳米圆盘六边形阵列为基础,进一步提出了两种在光纤端面的周期性阵列,并成功进行了制备。对于第一种金纳米圆盘双周期阵列,模拟其折射率灵敏度为592 nm/RIU,此外由于采用双周期设计,为后续研究更为复杂结构的表面等离激元提供了新方向。对于第二种光纤端面金纳米圆环阵列,模拟其反射谷λ和透射谷λ可得到较高的折射率灵敏度分别为516 nm/RIU、639 nm/RIU,透射谷λ较于前两者灵敏度较低为250 nm/RIU,但由于线宽更窄,表现出更高的传感器品质因数(FOM=125RIU)。

关键词：表面等离激元等离激元表面晶格共振金属微纳结构光纤传感器

自组装等离激元金属阵列光纤传感器制备与传感特性研究

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自组装等离激元金属阵列光纤传感器制备与传感特性研究

作者：曹瑷琛南京信息工程大学

学位级别：硕士

在过去的几十年里,生物传感器因其广泛的工业和科学应用而引起了人们的密切关注。光学传感器是一种通过研究结构的光学特性来解决这些应用的有效分析工具。随着技术的进步以及资源需求的增多,高科技设备逐渐趋于小型化发展。光与金属纳... 详细信息

在过去的几十年里,生物传感器因其广泛的工业和科学应用而引起了人们的密切关注。光学传感器是一种通过研究结构的光学特性来解决这些应用的有效分析工具。随着技术的进步以及资源需求的增多,高科技设备逐渐趋于小型化发展。光与金属纳米结构的相互作用显示出独特的性质,产生了一个称为表面等离激元的新兴领域。将金属纳米结构与光纤进行融合,可形成一种具有高灵敏度、抗电磁干扰等优点的光纤生物传感器。这类光纤传感器可通过监测共振波长的变化来获取分析信息。本论文提出了三种不同光纤端面金属纳米周期性阵列结构,探索研究了对应的表面等离子体共振模式、参数优化、制备工艺以及传感特性等。具体研究工作包括:提出了一种利用金纳米圆盘作为传感结构的光纤传感器。首先借助时域有限差分法了解各个表面等离子体共振模式并对结构的参数进行优化。接着给出了实验的制备流程及测试结果。在传感结构周围环境介质从空气变化至丙三醇的过程中,共振波长实现了偏移,得到实验中最高折射率灵敏度为326 nm/RIU。提出了两种利用周期性银纳米阵列作为传感结构的光纤传感器。给出了实验猜想并通过仿真软件探究了表面等离子体共振模式,进而对结构的参数进行优化。优化后的结构通过模拟不同背景折射率（1.331至1.47）,得到第一种银纳米环结构的灵敏度为539.6nm/RIU,第二种银纳米孔结构的灵敏度为317 nm/RIU。前者较于后者得到仿真中的灵敏度更高,但后者具有更高的品质因数,说明稳定性更好。

关键词：光纤传感器表面等离激元金属纳米结构自组装聚苯乙烯微球薄膜

表面等离激元湿度传感器的制备及其传感特性研究

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表面等离激元湿度传感器的制备及其传感特性研究

作者：赵悦南京信息工程大学

学位级别：硕士

湿度传感器是最常见的传感器之一,被广泛应用在工业生产、气象研究、重症呼吸检测、医疗运输等众多领域。近年来,随着微纳加工技术的不断完善,人们对掌握实时信息的需求也越来越强烈,相应的对湿度传感器也提出了更高的要求。得益于纳米... 详细信息

湿度传感器是最常见的传感器之一,被广泛应用在工业生产、气象研究、重症呼吸检测、医疗运输等众多领域。近年来,随着微纳加工技术的不断完善,人们对掌握实时信息的需求也越来越强烈,相应的对湿度传感器也提出了更高的要求。得益于纳米结构特殊的光学特性,结合湿敏材料制作得到的光学湿度传感器具有不受电磁干扰、监测范围广、灵敏度高等优点。其中,聚乙烯醇(PVA)因其侧链上具有大量的羟基(-OH),使得传感器具有优秀的吸湿特性,本论文主要研究了不同结构的湿度传感器,主要研究内容如下:1.提出了基于纳米球光刻技术的自组装光学湿度传感器,实现可弯曲折叠的湿度传感,对不平坦表面的被检测物具有很强的顺应性,利用聚合物填充和磁控溅射法得到的传感器尺寸可达微米级。利用时域有限差分法对结构的光学性质进行研究,明确结构激发的表面等离激元类型模式:金属-绝缘体-金属(MIM)、法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)及表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPP)模式,了解纳米结构各个部分参数对传感器的影响。基于该结构的传感机制,论文展示了在可见光和近红外波段的湿度传感特性,获得了2.1 nm/%RH的相对湿度灵敏度。2.提出一种PVA/Au纳米棒薄膜增敏的光纤湿度传感器,与仅有一层PVA薄膜的湿度传感器相比,湿度灵敏度有明显提高。在增敏之前,本文对Au纳米棒置于金属膜外侧的复合结构进行仿真,结果发现由于Au纳米棒自身激发的局域电磁场增强可以显著提高纯金属膜结构的表面等离子体共振(Surface Plasmons Resonance,SPR)传感灵敏度,其折射率灵敏度可达3942.3 nm/RIU。将PVA水溶液与Au纳米棒混合增敏后,湿度灵敏度可达-4.25 nm/%RH,同时该传感器具有良好的可重复性及稳定性。

关键词：表面等离激元微纳结构湿度传感器湿敏薄膜

高质量等离激元晶体的制备及其传感特性的研究

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高质量等离激元晶体的制备及其传感特性的研究

作者：葛璐南京信息工程大学

学位级别：硕士

表面等离子激元是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。由于它们具有破坏衍射极限的能力,表面等离子体已经在传感,波导,和粒子捕获中被广泛研究。随着纳米粒子合成和纳米制造技术的不... 详细信息

表面等离子激元是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。由于它们具有破坏衍射极限的能力,表面等离子体已经在传感,波导,和粒子捕获中被广泛研究。随着纳米粒子合成和纳米制造技术的不断发展以及对理论的深入研究,表面等离子激元传感在环境和生物领域中备受关注,成为最受欢迎的应用之一。对于等离子激元传感器,优异的品质因数可以确保其较佳的传感性能,通过改变结构的参数可以影响表面等离子激元线宽,进而改变其性能。本论文以二维周期性纳米结构为基础,研究了其传感性能。论文的主要工作如下:首先提出了一种用溶胶-凝胶协同自组装法制备的单层复合微球阵列的方法。所提出的单层复合微球阵列提供了一个灵活的平台,可通过调节凝胶渗透高度或溅射的金属膜厚度来生产通用的等离子激元结构。实验研究了会影响单层膜质量的制造因素,例如环境湿度,蒸发温度和原硅酸四乙酯溶液的浓度。利用对相关函数对实验结果的有序度进行评估,揭示了复合微球阵列的高度有序性。并且利用纳米球印刷法制备,以纳米球有序阵列为模板,通过调整结构的参数和金属膜厚度,进而改变在阵列上激发的表面等离子激元的品质因数。接下来又提出了一种基于表面等离子激元微腔微压传感器。在硅敏感膜上方溅射两个关于敏感膜中心对称的金位移柱,这样两个立方体之间便形成了具有一定腔长的空气腔。通过对硅膜施加压力使其发生形变,带动位移柱产生位移倾斜,使腔长发生变化。并根据力学性质确定了硅薄膜的参数。在此基础上讨论了此结构的光学特性,研究了这种微腔中的SPP布洛赫模式与FP腔模式之间的相互作用。并且使用时域有限差分算法仿真计算此结构,确定立方体的参数。此外还仿真了不同压力下的反射率光谱图,讨论了压力与SPP特性、与波长漂移量之间的关系,得到此结构对应的灵敏度。

关键词：表面等离子激元线宽纳米球有序阵列等离子激元传感器自组装

表面等离激元结构色的设计制备与光学特性研究

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表面等离激元结构色的设计制备与光学特性研究

作者：刘慧研南京信息工程大学

学位级别：硕士

表面等离激元结构色,利用等离激元共振效应使特定频率的光被束缚在金属微纳结构中,并对其他频率的光进行反射或者透射,从而呈现不同的颜色。其次级衍射局域效应能够实现超高分辨颜色显示,且不含化学元素,性质稳定,颜色动态可调。广泛应... 详细信息

表面等离激元结构色,利用等离激元共振效应使特定频率的光被束缚在金属微纳结构中,并对其他频率的光进行反射或者透射,从而呈现不同的颜色。其次级衍射局域效应能够实现超高分辨颜色显示,且不含化学元素,性质稳定,颜色动态可调。广泛应用于动态图像显示、信息安全、数据存储加密等方面。本文主要研究了等离激元结构色阵列的制备及其光学特性和传感性能,以下是本文的主要内容:1.提出了一种基于共轴腔的结构色阵列,结构具有折射率传感特性,且在其表面旋涂湿敏材料PVA可以实现湿度传感。用时域有限差分法对共轴腔的光学特性与显色性能进行研究,并利用自组装纳米球、磁控溅射镀膜、反应离子刻蚀等步骤制备结构,产生的结构色丰富且色彩鲜明。共轴腔阵列对环境折射率的响应灵敏度可达484 nm/RIU。此外,在结构表面旋涂PVA湿敏薄膜,测试结构的湿度传感特性。测试结果表明,旋涂浓度2 wt%的PVA,湿度灵敏度能达到0.949 nm/%RH,且结构色随湿度的变化而变化。结构色与湿度传感的结合,使共轴腔结构在环境检测领域具有良好的应用前景。2.提出了基于银纳米狭缝阵列的透射式颜色滤波器和基于圆环阵列的反射式颜色显示器。设计了一种新的纳米狭缝结构制备方法,并通过加工参数的改变实现了对结构参数的调控。共轴狭缝阵列和中心凹陷型共轴狭缝阵列,两种狭缝阵列都具有良好的颜色光滤波特性,最高透射效率超过70%。改变结构的狭缝高度和狭缝宽度可以改变滤出的透射波波长,从而实现透射式的颜色滤波。共轴圆环结构通过氧刻蚀时间实现刻蚀深度的改变,显示的结构色鲜明且颜色变化灵敏、色域跨度大。所制备的纳米结构,结构参数灵活可调、成本低可以大面积制备,具有良好的颜色滤波和显示特性,在数字显色器、光学安全和信息存储等领域具有良好应用前景。本文的研究结果表明:(1)结构色器件分辨率高,可在纳米尺度实现颜色显示;(2)结构色可调且覆盖范围广,通过实验参数改变结构参数,调控结构色;(3)结构制造效率高、成本低,且稳定性好,周期排列有序性高。

关键词：表面等离激元金属结构色湿度传感颜色滤波