基于金属纳米腔和纳米天线中的表面等离激元共振的传感器研究

Surface plasmon resonance (SPR) sensors have been an attractive research subject in the field of nanophotonics and sensor research in recent years. In this project, we will study sensors based on metal nanocavities and nanoantennas. The size of a single sensor will be nanoscale in order to obtain a high integration level and apply in micro/nano flows. We will study the SPR and light coupling properties in single nanocavities and nanoantennas or coupled structures of multiple elements. The SPR in the nanostructures will be sensitized to the variation of the refractive index of the environment with the design of the structure parameters. The index will be deduced by measuring the parameters of the SPR. For the coupling between multiple nanostructures, phase difference between nanostructures will be designed, which will be used as one sensing parameter, as well as wavelengths and intensities of the resonant peaks. We will try to utilize the huge electric field enhancement at the feeding points of nanoantennas to explore the possibility of sensing for a single molecule or an ultra-small volume. We proposed the first ring-shaped nanocavity that will be used in the project. Another novelty of this project is the usage of the phase controlling in coupled antennas. We will implement sensors at the nanoscale and develop sensing technique with proprietary intellectual property rights.

基于表面等离激元共振(SPR)的传感器研究是目前纳米光子学领域和传感器领域的一个研究热点，本项目研究基于金属纳米腔和纳米天线的传感器，将单个传感器的尺度缩小到纳米尺度，以便获得高的集成度及在微/纳流中的应用。研究单个纳米腔和纳米天线或多个单元的耦合结构中的SPR特性及光耦合特性，通过结构的设计使得纳米结构的SPR对于环境折射率的变化更敏感，通过测量SPR参数实现纳米传感器。对于多个纳米结构之间的耦合，将利用彼此间的相位关系，加上共振峰位置、强度、偏振等多个参数提高传感性能；对于缝隙天线结构设计不同的信号光耦合方式，获得高信噪比；尝试利用天线馈电点处的极大场增强实现极小的传感体积和单分子传感的可能性。这里所用的围栏结构的纳米腔是我们首次提出，利用多个天线耦合并加入相位和偏振调控实现传感是另一个创新点。通过本项目的研究实现纳米尺度的传感器，发展拥有自主知识产权的新一代纳米传感技术。

基于表面等离激元的传感器研究是目前纳米光子学领域和传感器领域的一个研究热点，但是目前的传感器的体积比较大，无法在微纳流等需要小尺度传感器的场合应用。本项目在研究纳米金属结构与光相互作用机理的基础之上，研究基于光学纳米天线和金属腔等的折射率传感器，将传感器的尺度缩小到纳米尺度；通过金属结构中的共振机理的研究，设计新颖的纳米传感器提高传感器的品质因子。我们提出了利用非对称光学天线对和L形天线的纳米传感器，传感尺寸均在亚波长量级，品质因子分别达到43.1和40.3/RIU，与单个偶极缝隙天线相比都提高了一个量级以上；我们提出了利用单个金属纳米腔的纳米传感器，获得了亚波长传感尺度，(1,1)、(2,1)和(3,1)三个模式的传感器灵敏度分别为1046、736和514nm/RIU，品质因子分别为8.5、15.3和23.4/RIU；我们提出了非光谱型灵敏度可调的传感器，通过改变参考光的入射角可以改变灵敏度和品质因子，从而具有非常大的动态范围可以适应不同折射率的样品；我们提出了基于四象限聚焦镜的位置微传感器，相比已有的方法测量范围提高一个量级。对多种光学天线和纳米腔的共振特性进行了研究。本项目共发表SCI文章17篇，其中影响因子大于7的文章3篇，包括Nano Letters、Laser & Photonics Reviews和Nanoscale各一篇；发表一篇Science Advances。此外，最近接收一篇Laser & Photonics Reviews。这些结果为实现新型传感器提供了新原理和新方法，为获得实用的纳米传感器打下了基础。本项目培养博士生5名，申请发明专利3篇。