一种SLR光学传感器及其制备方法和应用

本申请涉及一种slr光学传感器及其制备方法和应用，属于等离子体光电器件和材料制备。

背景技术：

1、贵金属(如金、银、铂、钯等)纳米粒子在过去几十年中因其独特的光学性质、催化性能和局域表面等离子体共振(lspr)而受到广泛关注。特别是，这些纳米粒子的表面等离子体共振(spr)峰的特性取决于其组成、尺寸、形状和局部介电环境，使得它们在生化传感器和表面增强拉曼光谱等领域有着广泛的应用。

2、其中，球形au纳米粒子因其化学稳定性和精确的表面等离子体共振峰而受到了广泛的研究。在大多数lspr传感器中，球形au纳米粒子的尺寸是固定的，而探针分子与传感器的相互作用会引起其周围折射率的变化，从而引起spr峰的灵敏位移。然而，这种spr峰位移仍然相对较小，导致灵敏度相对较低。

3、在化学、工业、生物传感和环境监测等领域，折射率的测量是至关重要的。然而，目前基于表面等离子体共振(spr)峰的测量方法存在灵敏度低的问题。因此，如何提高折射率测量的灵敏度成为了一个关键性的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本申请提出了一种基于表面晶格共振现象的六角密堆积金银阵列光学传感器以及其制备方法，该传感器能够通过测量波长偏移来实现环境折射率的测量。

2、本申请的一个方面，提供了一种slr光学传感器，所述slr光学传感器自上至下，依次为金属合金超表面层和透明衬底层；

3、所述金属合金超表面层，由金属合金半球按照六角密堆积的排列方式形成的周期性阵列结构组成。

4、可选地，所述透明衬底层的介电常数为1.1～3.0。

5、可选地，所述透明衬底层的透光性为50％～99.9％。

6、可选地，所述金属合金超表面层上的阵列结构中，晶格间距为d，300nm≤d≤800nm；

7、所述金属合金半球的直径为d，100nm≤d≤d。

8、可选地，所述金属合金半球中的金属合金包括金、银、铜、铝中的至少二种金属元素。

9、可选地，所述slr光学传感器的有效工作光谱为300～800nm。

10、可选地，所述slr光学传感器中，金属合金超表面层的厚度为20～300nm。

11、本申请的另一个方面，提供一种上述的slr光学传感器的制备方法，所述制备方法包括：

12、(1)将聚苯乙烯微球与水混合，获得自组装的聚苯乙烯微球溶液；

13、(2)采用液面转移法，在所述透明衬底层上制备具有六角密堆积形状的二维阵列结构的聚苯乙烯微球层；

14、(3)在所述聚苯乙烯微球层上，分步沉积相同厚度、不同金属元素的金属薄膜；

15、其中，每一步沉积含有一种所述金属元素的金属薄膜；

16、(4)在非活性气氛条件下进行退火，获得所述slr光学传感器。

17、可选地，所述聚苯乙烯微球溶液中，所述聚苯乙烯微球的质量分数为0.1％～10％；

18、所述聚苯乙烯微球的直径为10nm～1000nm。

19、可选地，所述金属薄膜的厚度为1～50nm。

20、可选地，所述非活性气氛选自氩气、氮气中的至少一种；

21、所述退火的温度为500℃～1200℃；

22、所述退火的时间为2h～12h。

23、作为一种具体的实施方式，所述slr光学传感器的制备方法包括：

24、1、先准备一片具有适当介电常数的透明介质，需提前进行理论计算以确定其参数。

25、2、准备大小和浓度适当的聚苯乙烯微球溶液。

26、3、将聚苯乙烯微球以六角密堆积的形式分布在衬底表面。

27、4、利用高精度镀膜工艺将相同厚度的金银薄膜沉积在样品表面。

28、5、在氩气氛围下进行高温退火。

29、作为一种具体的实施方式，本申请涉及一种基于钛酸锶单晶衬底的金银阵列金属超表面结构光学传感芯片，所述的传感器从上到下可以细分为金银阵列金属超表面，钛酸锶衬底层。其中，金银阵列由金银半球组成，形成六角密堆积的周期性结构。钛酸锶衬底需要具有适当的介电常数和透光性。当探测光垂直入射到光学芯片上，通过测量光学芯片的消光光谱，可以得到消光光谱上与环境折射率相关的峰值位移，从而测量环境折射率的变化。

30、本发明提出的光学芯片具体参数为：钛酸锶单晶的尺寸为5×5×0.1mm，为双抛单晶片。金银阵列由直径为120nm的金银合金半球组成，以六角密堆积的周期性结构均匀分布在钛酸锶单晶表面。光学芯片的有效工作光谱范围为400nm-800nm。

31、本申请的再一个方面，提供一种上述的slr光学传感器在检测环境折射率中的应用。

32、本申请的又一个方面，提供一种检测环境折射率的方法，使用上述的slr光学传感器；

33、所述方法包括：

34、(1)将所述slr光学传感器分别置于不同折射率的环境下，经入射光源照射后，测得不同衍射峰λ；

35、(2)根据瑞利异常公式，计算不同衍射峰λ下的环境折射率，拟合获得环境折射率和峰值偏移量的线性关系；

36、其中，瑞利异常的公式为：

37、

38、其中，d为晶格间距，n1为环境折射率，n2为衬底折射率，m、l为不同的衍射模式级数，θ为入射角度，c为常数；

39、(3)将所述slr光学传感器置于待测环境中，经入射光源照射后，测量获得峰值偏移量，根据步骤(2)获得的线性关系，获得待测环境的折射率；

40、其中，所述入射光为线偏振光，所述入射光的偏振方向与金属合金半球排列的方向相同。

41、本申请能产生的有益效果包括：

42、相比传统基于等离激元的折射率测量手段，本申请所提供的检测方法具有以下有益效果：

43、(1)提高了测量精度，灵敏度达到了396.95(nm/riu)；

44、(2)扩大了测量范围，具体环境折射率可以从1.0-2.0进行探测；

45、(3)提高了测量效率，只需要将待测样品放入样品池，测得衍射峰的改变量，就能通过对比标准参数，快速得到折射率的具体值；

46、(4)节约成本：由于提高了测量效率和精度，该光学器件可能能够节约在测量过程中所需的资源，从而降低了测量成本。

技术特征：

1.一种slr光学传感器，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的slr光学传感器，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的slr光学传感器，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的slr光学传感器，其特征在于，

5.一种权利要求1～4任一项所述的slr光学传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，

9.一种权利要求1～4任一项所述的slr光学传感器在检测环境折射率中的应用。

10.一种检测环境折射率的方法，其特征在于，使用权利要求1～4任一项所述的slr光学传感器；

技术总结本申请公开了一种SLR光学传感器及其制备方法和应用，所述SLR光学传感器自上至下，依次为金属合金超表面层和透明衬底层；所述金属合金超表面层，由金属合金半球按照六角密堆积的排列方式形成的周期性阵列结构组成。相比传统基于等离激元的折射率测量手段，本申请所提供的检测方法提高了测量精度，灵敏度达到了396.95(nm/RIU)；扩大了测量范围，具体环境折射率可以从1.0‑2.0进行探测；提高了测量效率，只需要将待测样品放入样品池，测得衍射峰的改变量，就能通过对比标准参数，快速得到折射率的具体值。技术研发人员：李灿,朱前红,范峰滔受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/10/10