基于准连续域束缚态的高Q值折射率传感器及其制备方法

摘要

本发明涉及超材料技术领域，具体涉及一种基于准连续域束缚态的高Q值折射率传感器及其制备方法。包括基底层和位于基底层上的全介质超表面结构阵列，全介质超表面结构阵列由若干个全介质超表面单元周期性排列形成，全介质超表面单元为方形块结构，方形块结构在沿x方向的一侧面上设有缺口，各方形块结构上设置的缺口的位置、朝向、形状和大小均相同，设有缺口的全介质超表面单元用于在沿x方向偏振的平面波正入射时，激发沿z方向的磁偶极矩，形成准连续域中的束缚态，并利用所述准连续域中的束缚态形成高Q值的谐振腔。本发明通过破坏结构在x方向的对称性，使连续域束缚态转为准连续域束缚态，从而获得极高的Q值，在很大程度上提高了折射率传感器的传感性能。

说明书

技术领域

本发明涉及超材料技术领域，具体涉及一种基于准连续域束缚态的高Q值折射率传感器及其制备方法。

背景技术

超表面为光学器件小型化指引了新的方向。超表面是一种二维的纳米超材料，一般由亚波长的人工单元结构组成，通过人为设计单元结构及其排列方式，可以制造出不同于自然界材料特性的结构。目前，超表面通常可分为基于表面等离激元的金属超表面和基于米氏谐振的全介质超表面，可应用于折射率传感、光学成像、高次谐波生成等领域。

灵敏度和品质因数是折射率传感器重点关注的两个指标，Q值用于衡量谐振谱线的宽度，当灵敏度大小一定时，谐振谱线Q值越高，折射率传感的品质因数越高。由于金属材料存在的欧姆损耗，通常其共振谱线线宽的Q值较低，从而限制了其在折射率传感器方面的应用。基于介电材料的折射率传感器以位移电流代替欧姆电流，减少了欧姆损耗，同时提高了谐振谱线的Q值。介电材料还可激发除电谐振以外的磁谐振、环偶谐振、高阶谐振等模式，不同模式的耦合产生的强局域场有利于形成Q值极高的极窄线宽谱线，大大增强了折射率传感的性能。

连续域中的束缚态(Bound-States-in-the-Continuum,BIC)是一种共振频率位于辐射连续域中，但与辐射态完全解耦的模态，也被称为捕获模式(trapped mode)。理论上，由BIC激发的谐振的Q值是无穷大且共振线宽为0，但它只能存在于无损无限的结构中，不能用于现实的折射率传感实验中。现实中，由BIC激发的谐振仍然具有一定的辐射损耗，限制了谐振Q值的进一步提高，导致折射率传感器的传感性能并不理想。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种基于准连续域束缚态的高Q值折射率传感器及其制备方法，通过破坏结构在x方向的对称性，使BIC转为准连续域中的束缚态(quasi-BIC，QBIC)，从而获得极高的Q值，在很大程度上提高了折射率传感器的传感性能。

本发明提供一种基于准连续域束缚态的高Q值折射率传感器，其技术方案为：包括基底层和位于基底层上的全介质超表面结构阵列，所述全介质超表面结构阵列由若干个全介质超表面单元周期性排列形成，所述全介质超表面单元为方形块结构，所述方形块结构在沿x方向的一侧面上设有缺口，各方形块结构上设置的缺口的位置、朝向、形状和大小均相同，设有所述缺口的全介质超表面单元用于在沿x方向偏振的平面波正入射时，激发沿z方向的磁偶极矩，形成准连续域中的束缚态，并利用所述准连续域中的束缚态形成高Q值的谐振腔；

其中，x方向为基底层长度方向，y方向为基底层宽度方向，z方向为基底层高度方向。

较为优选的，每个所述方形块结构仅设置一个缺口，且所述缺口为弧形缺口，所述弧形缺口的弧形面与方形块结构的上表面垂直。

较为优选的，弧形缺口所在圆的直径不小于所述方形块结构沿x方向的长度。

较为优选的，所述弧形缺口与方形块结构之间满足以下关系：

其中，h为弧形缺口所在圆的圆心距方形块结构的x向中线的垂直距离，r为弧形缺口所在圆的半径，a为方形块结构的x向长度。

较为优选的，所述弧形面与方形块结构沿y方向的两侧面相切。

较为优选的，所述全介质超表面单元沿x方向和y方向的排布周期相等，所述排布周期为7/20*a～5/7*a，a为全介质超表面单元沿x方向的长度。

较为优选的，所述全介质超表面单元沿x方向和y方向的排布周期为700nm-1000nm，全介质超表面单元沿x方向的长度a为350-500nm，弧形面所在圆的半径为175-260nm。

本方案还提供一种基于准连续域束缚态的高Q值折射率传感器的制备方法，包括

在石英基底上均匀的镀上一层光刻胶；

使用电子束曝光法在所述光刻胶上绘制出全介质超表面单元的图案，所述图案在光刻胶表面呈周期性阵列分布，所述图案为带缺口的正方形，所述缺口位于正方形沿x方向的一条侧边上，所述缺口为弧形缺口；

将绘制完图案的样品置于预先配置的显影液中进行溶解，使光刻胶上绘制图案处形成空腔；

使用化学气相沉积法在所述空腔内沉积出一层指定厚度的硅薄膜；

去除所述光刻胶，形成基于准连续域束缚态的高Q值折射率传感器，所述基于准连续域束缚态的高Q值折射率传感器可在沿x方向偏振的平面波正入射时，激发沿z方向的磁偶极矩，形成准连续域中的束缚态，并利用所述准连续域中的束缚态形成高Q值的谐振腔。

本发明的有益效果为：通过在方形块的全介质超表面单元的x向中引入缺口，打破了超表面单元结构的对称性。当沿x方向偏振的平面波正入射时，激发了沿z方向的磁偶极矩，其谐振模式是绕z轴旋转180°重合的偶模式，由于与沿z向传播的平面波所激发的奇模式不匹配，两种模式不会发生耦合，从而形成了QBIC，在透射谱线中以Fano共振谱线的形式体现出来。本发明利用QBIC产生了高Q值的谐振腔，并带来了强局域场增强，将其应用在折射率传感领域实现了超高品质因数。本发明结构设计简单、易于加工，在化学生物传感等领域有重要的应用。

附图说明

图1为本发明一种基于准连续域束缚态的高Q值折射率传感器的结构示意图；

图2为本发明全介质超表面单元为正方形块时的结构示意图；

图3为本发明全介质超表面单元为正方形块时的俯视图；

图4为正方形硅块与带圆弧形缺口的正方形硅块在边长相同条件下的透射谱；

图5为谐振波长处的厚度为结构高度一半时的xy截面的电流分布示意图；

图6散射能量的多极分解结果图；

图7谐振波长处相同破缺面积下的不同缺口结构的电磁场分布图；

图8透射谱随折射率变化图；

图9共振波长和周围介质折射率变化关系图；

图10为本发明全介质超表面单元为长方形块时的俯视图；。

图中：1-基底层，2-全介质超表面单元，3-缺口，4-全介质超表面结构阵列，5-弧形面

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明一种基于准连续域束缚态的高Q值折射率传感器，包括基底层1和位于基底层1上的全介质超表面结构阵列4，全介质超表面结构阵列4由若干个全介质超表面单元2周期性排列形成，全介质超表面单元2为方形块结构，方形块结构在沿x方向的一侧面上设有缺口3，各方形块结构上设置的缺口3的位置、朝向、形状和大小均相同，设有缺口3的全介质超表面单元2用于在沿x方向偏振的平面波正入射时，激发沿z方向的磁偶极矩，形成准连续域中的束缚态，并利用准连续域中的束缚态形成高Q值的谐振腔；

其中，x方向为基底层1长度方向，y方向为基底层1宽度方向，z方向为基底层1高度方向，本方案的方形块结构沿x方向的边长a与沿y方向的边长b可以相等，即该方形块结构为正方形块；也可边长a与边长b不相等，即该方形块结构为长方形块。

缺口3可以是多个，也可以是单个，缺口的形状可以是方形、v型、U型、弧形等结构。

本方案利用结构对称性的缺破将基本无辐射、Q值无限大的BIC模式转换为辐射较低、Q值较大的QBIC模式，在谐振波长处激发了原本不能被入射光激发的谐振模式，其共振线宽极窄并伴随着局域电场增强现象，从而在光学传感器件的研制方面具有很大的现实意义。

实施例一

图1、2示出了本申请一种实施例提供的一种基于准连续域束缚态的高Q值折射率传感器的结构示意图，该实施例选取的方形块结构为正方形块，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

本实施例中，每个方形块结构仅设置一个缺口3，且缺口3为弧形缺口，弧形缺口的弧形面5与方形块结构的上表面垂直。

弧形缺口所在圆的直径不小于方形块结构沿x方向的长度。

弧形缺口与方形块结构之间满足以下关系：

其中，h为弧形缺口所在圆的圆心距方形块结构的x向中线的垂直距离(也是圆心与方形块中心的距离)，r为弧形缺口所在圆的半径，a为方形块结构的x向长度。

如图3所示，当h在满足表达式的范围中取值时，弧形面5始终与方形块结构沿y方向的两侧面相切或者相交。根据表达式可知，弧形面5对应圆的圆心既可以位于方形体外侧，也可位于方形体的该侧边上，但不应位于方形体内部。同时由于

全介质超表面单元2沿x方向和y方向的排布周期相等，排布周期为7/20*a～5/7*a，a为全介质超表面单元2沿x方向的长度。

较为优选的，全介质超表面单元2沿x方向和y方向的排布周期为700nm-1000nm，全介质超表面单元2沿x方向的长度a为350-500nm，弧形面5所在圆的半径为175-260nm，全介质超表面单元2沿z方向的高度为20-60nm。

弧形的缺口相比于三角形、方形缺口等其它形状的缺口而言，在方形超表面结构内部引入圆弧形缺口可最大程度提高电磁场的局域能力，而且可以扩大局域电磁场增强的范围，从而更加有利于传感性能的提高。

实施例二

本实施例提供了一种基于准连续域束缚态的高Q值折射率传感器的制备方法，包括

在石英基底上均匀的镀上一层光刻胶，该光刻胶选用正性光刻胶；

使用电子束曝光法在光刻胶上绘制出全介质超表面单元2的图案，图案在光刻胶表面呈周期性阵列分布，图案为带缺口3的正方形，缺口3位于正方形沿x方向的一条侧边上，缺口3为弧形缺口；

将绘制完图案的样品置于预先配置的显影液中进行溶解，使光刻胶上绘制图案处形成空腔；

使用化学气相沉积法在空腔内沉积出一层指定厚度的硅薄膜；

去除光刻胶，形成基于准连续域束缚态的高Q值折射率传感器，基于准连续域束缚态的高Q值折射率传感器可在沿x方向偏振的平面波正入射时，激发沿z方向的磁偶极矩，形成准连续域中的束缚态，并利用准连续域中的束缚态形成高Q值的谐振腔。

实施例三

本实施例提供了另一种基于准连续域束缚态的高Q值折射率传感器的制备方法，包括

使用化学气相沉积法在石英基底上沉积一层固定厚度的硅薄膜；

在硅薄膜上均匀的镀上光刻胶；

使用电子束曝光法在光刻胶上绘制出全介质超表面单元的图案，图案在光刻胶表面层周期性阵列分布，图案为带缺口的正方形，缺口位于正方形沿x方向的一条侧边上，缺口为弧形缺口；

将绘制完图案的样品置于预先配置的显影液中，使光刻胶上除图案之外的其余区域均被溶解；

利用反应离子刻蚀的方法对样品表面进行刻蚀，形成基于准连续域束缚态的高Q值折射率传感器，基于准连续域束缚态的高Q值折射率传感器可在沿x方向偏振的平面波正入射时，激发沿z方向的磁偶极矩，形成准连续域中的束缚态，并利用准连续域中的束缚态形成高Q值的谐振腔。

在该制备方法中，光刻胶采用负性光刻胶，具体采用聚甲基丙烯酸甲酯光刻胶。在沉积硅薄膜之前，还包括将石英基底放置在超声波清洗机中进行清洗，并在超声结束后使用去离子水清洗石英基底，最后使用气枪进行吹干。

本实施例中先沉积硅薄膜，再采用负性光刻胶显影刻蚀，相较于另一实施例中的先采用正性光刻胶显影出空腔，再沉积填充硅薄膜的方法具有以下优势：

1、选择聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等负性光刻胶，可以在电子束曝光过程中，使被曝光的光刻胶分子键断裂产生的新物质更容易溶解，从而有利于产生更清晰的图案，在更清晰的图案基础上刻蚀形成的全介质超表面单元边界更平整，从而使传感器的性能更优越。

2、由于需要制备的超表面阵列面积较大，先沉积硅薄膜，再采用负性光刻胶显影刻蚀，相较于先采用正性光刻胶显影出空腔，再沉积填充硅薄膜的方法，耗费的材料更少。

实施例四

本实施例结合具体的取值参数，对本发明的传感器性能进行分析说明。本实施例的取值为：排布周期P的大小为900nm，正方形块的边长a为450nm；圆弧形缺口对应圆半径r为230nm；圆弧形缺口对应圆心距离单元中心的距离h为190nm；方形块结构的高度为30nm。

本实施例使用有限元方法模拟入射电磁波与全介质超表面结构阵列的相互作用。在仿真计算过程中，x轴方向和y轴方向设置为周期性边界条件，z轴方向即基底层高度方向设置为完美匹配层，全介质超表面单元的周围物质(在实际应用过程中，通过在全介质超表面单元结构上滴加不同折射率的液体，测量折射率的传感性能)的折射率n＝1.45，入射电磁波设置为x方向偏振的平面波，沿z轴负方向入射。

通过上述仿真条件的设置计算正入射平面波的透射光谱，其结果如图4所示。当圆弧型缺口的半径为0即全介质超表面由正方形块组成时，在1307-1309nm波段时透射率基本为1，当引入圆弧形缺口且半径为230nm，可以在透射谱的波长为1307.5nm处发现一个极窄的Fano共振峰，其Q值可以达到130752。

为了更清楚地理解QBIC的形成原因，计算了全介质超表面单元在谐振波长处的xy截面上的位移电流分布，如图5所示。图5中，箭头的方向代表电流的方向，箭头的长短代表该点处电流的大小，灰度代表电场强度的大小。在xy截面上，位移电流呈现一种涡旋状，从而感应生成沿z方向的磁偶极矩，其与沿z向传播的平面波所激发的奇模式不匹配，两种模式之间不会发生耦合，由此形成了QBIC，在入射光的透射谱线中以Fano共振谱线的形式出现。QBIC的形成将绝大部分能量束缚在结构周围，从而使得透射率的最小值接近0。

笛卡尔坐标系下的多极能量分解结果如图6所示，可以更加清楚观察出各个谐振的散射功率，其中，I

同时，为了找出具有最佳电场增益效果的缺口形状和缺口数量，我们对不同的数量、缺口形状的组合进行了大量试验，最终得到最优的缺口为单缺口，且弧形缺口形式。以单缺口中的三角形、方形、圆弧形三种不同形状，且所有缺口所占面积几乎相等时为例进行了验证，其结果如图7所示。弧形缺口与其他两种形状的缺口相比，我们可以通过比颜色图得出圆弧形缺口局域电场的能量最强；另外与正方形缺口相比，三角形与圆弧形缺口可以扩大局域电场增强的面积，而圆弧形缺口相较于三角形缺口，其具有最好的局域电场的能力，从而可以更大程度提高折射率传感的性能。

将此能产生高Q值的全介质超表面应用在折射率传感领域，通过改变结构周围环境的折射率，观测谐振波长的偏移量，利用两者的比值计算出该结构的折射率传感的灵敏度(S)和品质因数(FOM)。具体的，结构的传感性能的计算结果如图8和图9所示，通过计算透射谱谐振波长偏移量Δλ以及折射率变化量Δn，可计算出折射率传感的灵敏度

综上，本发明通过在正方形硅块中引入圆弧形缺口，实现了Q值为130752的极窄Fano谱线，通过改变全介质超表面的周围环境的折射率，最终实现了灵敏度为434，品质因数为43400的传感性能。本发明具有易制备，体积小，品质因数高的特点，在生物传感领域具有十分广阔的应用前景。

实施例五

如图10示出了本发明又一实施例进行说明，该实施例选取的方形块结构为长方形块，该长方形块满足沿x方向的边长a大于沿y方向的边长b。

在参数优化的过程中，我们发现，如果以方形超表面的最底层边的边长为固定值a(即沿x方向的边长为a)，那么通过几何关系的计算我们可以得出不对称因子α＝圆弧破缺面积/(a*a)，不对称因子α会随着破缺面积的增大逐渐增大，即所剩面积越小所对应的谐振腔的Q值越高。所以当圆弧对应圆心位于边长为a的正方形内部时，谐振腔的Q值更高。圆弧对应圆心位于边长为a的正方形内部时，将其缺口部分补全，该几何结构会形成长方形，且长方形块沿x方向的边长a大于沿y方向的边长b。其几何结构可以由图10表示，相比于正方形结构来说，在如图所示的长方形结构的中引入缺口更能获得高Q因子的谐振腔。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。