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题名:
LSPR传感器的优化设计研究
作者: 倪祖高
学位类别: 硕士
答辩日期: 2011-05
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 姚军
关键词: 纳米粒子,时域有限差分法,传感灵敏度
学位专业: 光学工程
中文摘要: 基于金属纳米结构的局域表面等离子体共振(LSPR)传感技术是最近研究的热点,在生物、食品、药物检测和环境监测等方面具有广泛的应用前景。但是目前LSPR传感器的传感灵敏度较低,需要对LSPR传感器进行优化设计来提高其传感灵敏度。金属纳米粒子和薄金属上的纳米孔都支持局域表面等离子体共振(LSPR),其共振特性与金属材料,粒子或孔的形状、尺寸,粒子或孔所处的介电环境以及相互之间的耦合作用等有关。论文对基于金属纳米粒子的LSPR传感器和基于纳米孔的LSPR传感器进行了研究,主要包含了以下内容:
首先对银纳米球、纳米圆柱和纳米圆环的传感灵敏度进行了研究,通过对尺寸进行优化设计来提高传感灵敏度,其可以获得最优的品质因数(FOM)分别为4.41RIU-1,8.74RIU-1和10.6RIU-1。基于旋转对称结构与极化无关的特点和有尖角结构的传感灵敏度高的优点,设计了圆锥型纳米粒子,研究了倾角和锥面的形状对其LSPR传感特性的影响,研究发现倾角为10O的圆锥粒子其FOM可以达到14.6RIU-1,并发现凹形结构的圆锥型粒子的传感灵敏度高于凸形结构的传感灵敏度,粒子的阶数m=1/3时对应的凹形结构可以获得最大的FOM为14.46RIU-1
其次,利用纳米粒子之间耦合效应,对银纳米柱粒子构成的有限和无限三角形、方形和六角形阵列结构进行了优化设计,发现阵列排布方式可以非常明显的提高传感灵敏度。单个粒子的FOM只有2.76RIU-1,通过优化发现,三角形、方形和六角有限阵列的能够获得最大的FOM分别为10.35RIU-1,8.92RIU-1和7.38RIU-1,相对于单个粒子分别提高了3.75倍,3.2倍和2.67倍,并且有限三角形阵列的传感灵敏度高于其他两种有限排布方式。无限阵列排布方式可以获得更高的传感灵敏度,三角形、方形和六角形无限阵列可以获得优化的FOM分别为20.9RIU-1,17.7RIU-1和11.6RIU-1
最后,对薄金属上的纳米孔阵列进行优化设计,薄金属上的纳米孔附近存在LSPR共振,但是产生的LSPR会通过SPP而相互耦合,使谱线宽度增加,影响传感灵敏度。通过对孔的尺寸、膜的厚度和阵列周期进行了优化设计,发现当孔的半径为50nm,膜厚为70nm,周期为300nm时,可以获得最优的FOM为7.1RIU-1
论文的研究结果表明,LSPR传感特性与纳米结构的结构参数密切相关,通过对这些参数进行优化可以明显提高传感灵敏度,尤其是三角有限阵列和无限阵列的品质因数可以分别达到10.35RIU-1和20.9RIU-1,文中所得结论对LSPR传感器的设计和制作具有指导意义。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/581
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倪祖高. LSPR传感器的优化设计研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011.
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