硅基聚合物光波导表面等离子体共振传感器的基础研究

摘要

表面等离子体共振(SPR)传感器是近年来光电子学传感器领域的研究热点之一。其具有高灵敏、免标记、快速响应等特点，在医学、生物与环境传感等领域有着广阔的应用前景。采用聚合物材料制备表面等离子体共振传感器，只须通过室温旋涂和光刻等工艺，成本低廉，制作的器件轻巧，在平面光子集成应用方面前景十分看好。
　　本论文对聚合物光波导表面等离子体共振传感器进行了基础研究，分别对基于连续金膜、基于金纳米颗粒的光波导表面等离子体共振传感器进行了理论分析与实验制备，具体工作如下:
　　1.利用Fresnel公式对基于连续金膜的传导型表面等离子体共振传感器进行了理论分析。研究了金属膜类型、金属膜厚度、芯层折射率、以及待测物折射率对SPR曲线的影响，结果表明:金属薄膜厚度对SPR共振曲线的锋锐程度、峰值深度产生较大影响;器件灵敏度随被测物折射率增大而增高;SPR共振峰位置随芯层折射率的减小而红移，器件设计需综合考虑上述因素。
　　2.设计并制备了以SU-8作为芯层，以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为下包层的掩埋条形波导结构的SPR传感器，搭建了传感器性能测试系统，完成了器件的通光及传感性能测试。测试结果表明:对于折射率分别为1.330和1.365的待测物，在入射光为650 nm时，器件的反射率分别为0.880与0.625，与理论计算值:0.82与0.66相吻合。
　　3.利用Mie理论对金纳米颗粒的消光作用进行了理论分析。研究了纳米颗粒粒径、待测物折射率等因素对局域表面等离子体共振(LSPR)曲线的影响。结果表明:LSPR传感器的灵敏度随金纳米颗粒粒径的增大而增大;当待测液体折射率增大时，共振峰的位置发生红移;随着金纳米粒径逐渐增大，其LSPR共振峰逐渐由单峰变为双峰，分析了双峰产生的原因。
　　4.采用柠檬酸三钠还原法制备了粒径约为20 nm的金纳米颗粒，对其LSPR吸收峰进行了光谱测试。采用去离子水、40％浓度酒精及80％浓度酒精作为待测物，获得了金纳米颗粒对这三种待测液体的LSPR共振曲线，其中心波长分别位于520nm、522nm与523nm处，灵敏度为100 nm/RIU，与理论计算结果较吻合。
　　5.设计并制备了采用SiO2作为下包层，SU-8光刻胶作为波导芯层的矩形波导结构的局域型表面等离子体共振传感器。利用硅烷溶液对SU-8进行了表面改性，将金纳米颗粒牢固绑定在改性之后的SU-8波导的表面形成了传感器件。采用去离子水、无水乙醇作为待测液体，对传感器件进行了性能测试。测试结果表明:去离子水与无水乙醇的LSPR吸收峰位于波长530 nm与533 nm处，所制备的器件的灵敏度为85.7 nm/RIU。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 表面等离子体共振概述

1．2 传导型SPR传感器概述

1．2．1 传导型SPR传感器分类

1．2．2 传导型SPR的研究现状与发展趋势

1．3 局域型SPR传感器概述

1．3．1 局域型SPR的研究现状与发展趋势

1．4 本论文完成的主要工作

第二章 表面等离子体共振传感器理论基础

2．1 传导型表面等离子体共振传感器理论基础

2．1．1 衰减式全反射

2．1．2 表面等离子体波

2．1．3 SPW的色散分析

2．2 SPR共振谱理论计算

2．3 局域型表面等离子体共振传感器的理论基础

2．3．1 Drude模型(金属纳米颗粒的介电常数)

2．3．2 Mie理论

2．4 本章小结

第三章 基于连续金膜的聚合物光波导传导型表面等离子体共振传感器

3．1 传导型SPR共振曲线的影响因素

3．1．1 金属类型对共振曲线的影响

3．1．2 金属膜厚度对共振曲线的影响

3．1．3 环境介质折射率对共振曲线的影响

3．1．4 芯层折射率对共振曲线的影响

3．1．5 多层膜对共振曲线的影响

3．1．6 表面粗糙度对共振曲线的影响

3．2 传导型表面等离子体共振传感器的设计与制备

3．2．1 光波导材料的选择

3．2．2 聚合物集成光波导耦合型SPR传感器的设计与制备

3．3 传感测试

3．3．1 近场光斑测试

3．3．2 传感测试

3．3．3 传感测试结果与分析

3．3．4 存在的问题

3．4 本章小结

第四章 基于金纳米颗粒的聚合物光波导局域型表面等离子体共振传感器

4．1 LSPR共振曲线的影响因素

4．1．1 纳米颗粒粒径对LSPR共振曲线的影响

4．1．2 纳米颗粒粒径对LSPR灵敏度的影响

4．1．3 待测物折射率对LSPR共振峰的影响

4．2 金纳米球的制备

4．2．1 纳米颗粒吸收测试

4．3 基于金纳米颗粒的聚合物光波导局域型表面等离子体共振传感器的设计与制备

4．3．1 SU-8矩形波导的制备

4．3．2 聚合物波导的表面改性

4．4 基于金纳米颗粒的聚合物光波导局域型表面等离子体共振传感器的测试

4．4．1 近场光斑测试

4．4．2 传感性能测试

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本论文主要内容总结

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢