一种基于多孔硅折叠微腔器件免光谱仪的折射率检测新方法

发布时间：2020-07-12 08:50

【摘要】：多孔硅已被证明是开发敏感,易用,低成本生物传感平台的良好基底材料。多孔硅对折射率变化敏感的光学特性,与生物良好的相容性和其内部的巨大的比表面积。结合硅在近红外波段透射性质良好,使多孔硅成为近红外生物传感应用的适用平台。研究人员一直在探讨有效提升微腔结构传感器灵敏度的方法。具有一定孔隙度对比调制的光学结构会阻止分子扩散到多孔硅结构内部,并且对于生物分子的尺寸具有较大的限制,将生物材料渗透到非均匀多孔硅多层中是困难的,生物分子进入多孔硅通道只能停留在多孔硅表层,这对于多孔硅微腔器件检测生物反应是一个待解决的问题。本论文主要研究基于多孔硅折叠微腔,使用免光谱仪的透射角度装置检测折射率的变化。折叠微腔是由两个分离式布喇格反射镜,而不是传统的分布式布拉格反射镜,该结构在将生物材料渗入多孔硅缺陷层之后组装。所提出的折叠微腔结构仅需要渗入到单一均质多孔硅中心层中以进行透射角度移位以产生高灵敏度具有高Q值的微腔。微腔的角度透射光谱的特征在于尖锐的共振倾角,其位置对孔内的生物分子的结合非常敏感。通过对传感器的性能进行综合建模,并将其转化为定量检测的实用工具。从理论和实验两方面优化条件后得到最佳的传感器光学结构,并且对多孔硅微腔器件的检测灵敏度进行了研究。本文详细介绍了多孔硅折叠微腔生物传感器的设计,器件制备,表征和应用。本论文主要研究工作内容如下:1.使用转移矩阵法理论模拟计算了折叠布喇格反射镜组合微腔在生物传感的高灵敏度的可行性。研究了不同层对于折射率变化的敏感程度,尤其对于缺陷环境中的微小折射率变化会产生通过光子晶体传输的波长的可测量的变化。通过转移矩阵法计算证明了使用多孔硅的缺陷层检测比实际检测只需要更少的折射率变化就可以达到检测目的。2.报告了一种替代整体微腔的电化学制造方法,周期性折射率调制通过堆叠两个分离布喇格反射镜来实现。高效率的多孔布拉格反射器硅基板上成功制造薄膜,展示了高反射效率的宽带反射镜。通过对制备好的两个分离的布喇格反射镜进行垂直组装,验证了结构的成功组装。所提出的结构仅需要渗入到单一均质多孔硅中心层中以进行透射角度光谱移位以产生高灵敏度具有高Q值的微腔。3.介绍了脱离硅衬底的多孔硅独立式薄膜,比较了拥有硅衬底和剥离式多孔硅薄膜的光的传输特性。最后通过理论计算研究了在独立式布喇格反射镜组装过程中缺陷层厚度对于微腔光学性质的影响。
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH744.1
【图文】：

图 1-1 PSi 1970-2018 国际研究历程 20 世纪 50 年代，Uhlir 等人在贝尔实验室发现了多孔硅（PSi），试期间在硅片上出现红棕色时[24]。最初归因于低氧化物种，PSi 几何科学研究人员的关注，直到 Canham 和同事的两个关键发现[9]

2-D 和 3-D PHC 的周期性结构图在过去的十年中，材料领域出现了前沿热点，主要研究方向是控制材料的光学特性。存在一类材料，光线禁止在材料内部传播，或者仅允许某些频率的某些方向传播，或者位于特定区域。这种系统由几何形状产生了光子带隙。在这些结

图 2-1 光通过 N 层叠层交替折射率传播的示意图对于横向电（TE）偏振的情况，通过非磁性层 n 1 和 n，(n|n 1)之间面的光的传播被描述为Εn,t+n,t= Tn|n 1Εn 1,b+n 1,b=1 00ηn 1cosθn 1ncosθnΕn 1,b+n 1,b(

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本文编号：2751713