Advanced Optical Materials:基于金属反射镜上低折射率对比介质晶格的光学传感

基于金属纳米结构的表面等离激元传感技术因具有高灵敏度和易于集成等优势,在生化传感、健康检测等领域有着广阔的发展空间,然而,金属表面电子振荡固有的光场能量消耗却始终是一个绕不开的瓶颈。高折射率介质纳米结构刚好可以解决吸收损耗严重的问题,但是大部分光场能量被限制在高折射率介质内部,因而只表现出相对较低的灵敏度。

华南师范大学光及电磁波研究中心团队提出利用平面金属反射镜上的介质纳米柱阵列实现高灵敏度光学折射率传感。团队利用反应离子刻蚀结合软光刻的方法制备了二氧化钛介质纳米柱阵列,在水及有机环境中表现出的各种折射率传感指标与表面等离激元结构相媲美。这种金属-介质复合结构拥有两个不同的共振模式:其中一个模式源自表面晶格共振,光场被局域在介质柱的顶端以及介质柱之间的空白区域,具有高品质因子(Q > 300),FoM (Figure of Merit, = 体灵敏度/共振线宽) 达180,超过了以往相同周期的介质和金属结构;另外一个模式,光场被局域在介质柱底部,具有较高的表面灵敏度。两个模式一起可兼顾体折射率传感灵敏度、表面传感灵敏度以及检测极限。中/低折射率介质在可见光及近红外波段广泛存在且可获得极低吸收损耗。该工作预计能够启发利用中/低折射率透明介质材料实现纳米尺度局域场增强的研究。

相关论文“Low-Index-Contrast Dielectric Lattices on Metal for Refractometric Sensing”发表在Advanced Optical Materials上(DOI: 10.1002/adom.202000877)。