一種表面等離子體共振的太赫茲傳感器的製造方法
2023-05-14 23:50:21
一種表面等離子體共振的太赫茲傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明提供一種表面等離子體共振的太赫茲傳感器，所述太赫茲傳感器至少包括：重摻雜半導體薄膜，包括第一表面和與所述第一表面相對的第二表面；光波導耦合層，形成於所述重摻雜半導體薄膜的第一表面；傳感片，形成於所述重摻雜半導體薄膜的第二表面，所述傳感片置於樣品通道中、與待測分子接觸；太赫茲量子級聯雷射器，發射太赫茲光至所述光波導耦合層；太赫茲探測器，探測太赫茲光。本發明的雷射器產生太赫茲雷射在光波導耦合層和重摻雜半導體薄膜表面產生全反射，在界面產生消逝波，同時在重摻雜半導體薄膜和分子敏感膜之間產生表面等離子體波，通過調節入射光到共振角度可使得消逝波和表面等離子體波形成共振。該傳感器可實現生物大分子在太赫茲共振頻段的探測。
【專利說明】一種表面等離子體共振的太赫茲傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及傳感器【技術領域】，涉及一種太赫茲傳感器，特別是涉及一種表面等離子體共振的太赫茲傳感器。
【背景技術】
[0002]太赫茲波段是介於中紅外與微波之間的、在頻譜上未被完全開發的波段，被稱為「太赫茲空隙」。它在物理學、材料科學、生命科學、天文學、信息和國防科技等方面具有重大的科學意義和應用前景。由於太赫茲波段的重要學術意義和應用價值，近幾年來太赫茲物理、器件及應用已成為國際上最熱門的前沿研究領域之一。
[0003]表面等離子體共振技術是二十世紀九十年代發展起來、一種能靈敏測量被測物體介電函數變化的技術。該技術在物理、化學和生物方面有著非常廣泛的應用，尤其是運用在實時監測生物大分子相互作用上。表面等離子體共振生物傳感器經過二十多年的發展，已經成為生命科學和製藥領域一種重要的研究工具。
[0004]通過對太赫茲波譜的研究，發現很多生物大分子在太赫茲波段存在特徵峰。而目前對生物大分子的波譜分析主要採用太赫茲時域波譜分析儀。生物大分子的相互作用過程分析需要一種能實時監控的太赫茲傳感器。
[0005]由於普通稜鏡在太赫茲波段的折射率比較低，同時金屬在太赫茲波段的折射率比較高，因此適用於現有表面等離子體共振傳感器的普通稜鏡和金屬薄膜的全反射結構在太赫茲波段並不適用。又由於金屬在太赫茲波段的介電函數非常大，無法形成有效的表面等離子體，因此適用於現有波段的表面等離子體共振傳感器的金屬薄膜等離子體形成機制在太赫茲波段也不適用。
[0006]鑑於現有的表面等離子體共振傳感器的基本結構在太赫茲波段並不適用，本發明提出了本徵半導體和重摻雜半導體的全反射結構，同時利用重摻雜半導體的負的介電函數解決了難以形成太赫茲波段等離子體的問題，從而提出了一種有望實時監控生物大分子相互作用過程的太赫茲傳感器。
【發明內容】
[0007]鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種表面等離子體共振的太赫茲傳感器，用於解決現有技術中的表面等離子體共振傳感器無法在太赫茲波段使用的問題。
[0008]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種表面等離子體共振的太赫茲傳感器，所述太赫茲傳感器至少包括:
[0009]重摻雜半導體薄膜，包括第一表面和與所述第一表面相對的第二表面；
[0010]光波導耦合層，形成於所述重摻雜半導體薄膜的第一表面；
[0011]傳感片，形成於所述重摻雜半導體薄膜的第二表面，所述傳感片置於樣品通道中、與待測分子接觸；
[0012]太赫茲量子級聯雷射器，發射太赫茲光至所述光波導耦合層；
[0013]太赫茲探測器，探測從所述光波導耦合層反射的太赫茲光。
[0014]作為本發明表面等離子體共振的太赫茲傳感器的一種優化的方案，所述太赫茲量子級聯雷射器為激射固定頻率的雷射器，激射頻率的範圍為1.2?4.4THZ。
[0015]作為本發明表面等離子體共振的太赫茲傳感器的一種優化的方案，所述光波導耦合層為本徵半導體，太赫茲光在所述光波導耦合層和重摻雜半導體薄膜之間形成全反射。
[0016]作為本發明表面等離子體共振的太赫茲傳感器的一種優化的方案，所述本徵半導體為GaAs。
[0017]作為本發明表面等離子體共振的太赫茲傳感器的一種優化的方案，所述重摻雜半導體薄膜為摻Si的GaAs薄膜，摻雜濃度為2*1018?5*1018αιΓ3。
[0018]作為本發明表面等離子體共振的太赫茲傳感器的一種優化的方案，所述重摻雜半導體薄膜的厚度範圍為40?60nm。
[0019]作為本發明表面等離子體共振的太赫茲傳感器的一種優化的方案，在所述重摻雜半導體薄膜和傳感片之間產生表面等離子體共振波。
[0020]作為本發明表面等離子體共振的太赫茲傳感器的一種優化的方案，所述傳感片為分子敏感膜，可與待測分子進行反應。
[0021]作為本發明表面等離子體共振的太赫茲傳感器的一種優化的方案，所述太赫茲探測器為Si熱輻射探測器。
[0022]如上所述，本發明的表面等離子體共振的太赫茲傳感器，所述太赫茲傳感器至少包括:重摻雜半導體薄膜，包括第一表面和與所述第一表面相對的第二表面；光波導耦合層，形成於所述重摻雜半導體薄膜的第一表面；傳感片，形成於所述重摻雜半導體薄膜的第二表面，所述傳感片置於樣品通道中、與待測分子接觸；太赫茲量子級聯雷射器，發射太赫茲光至所述光波導耦合層；太赫茲探測器，探測從所述光波導耦合層反射的太赫茲光。本發明的太赫茲雷射器產生太赫茲雷射在光波導耦合層和重摻雜半導體薄膜表面產生全反射，在界面產生消逝波，同時在重摻雜半導體薄膜表面和分子敏感膜之間產生表面等離子體波，調節入射光到共振角度可使得消逝波和表面等離子體波形成共振。這種傳感器可實現生物大分子在太赫茲共振頻段的探測。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明太赫茲傳感器的結構示意圖。
[0024]圖2為本發明太赫茲波在傳感器中傳播的路徑示意圖。
[0025]元件標號說明
[0026]I重摻雜半導體薄膜
[0027]2光波導耦合層
[0028]3傳感片
[0029]4樣品通道
[0030]5太赫茲量子級聯雷射器
[0031]6太赫茲探測器
【具體實施方式】
[0032]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0033]請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。
[0034]本發明提供一種等離子體共振的太赫茲傳感器，如圖1所示，所述太赫茲傳感器至少包括:重摻雜半導體薄膜1、光波導耦合層2、傳感片3、太赫茲量子級聯雷射器5以及太赫茲探測器6。
[0035]所述重摻雜半導體薄膜I包括第一表面和與所述第一表面相對的第二表面，所述光波導稱合層2形成於所述重摻雜半導體薄膜I的第一表面，所述傳感片3形成於所述重摻雜半導體薄膜I的第二表面，將其置於樣品通道4中、與待測分子接觸，所述太赫茲量子級聯雷射器5用來發射太赫茲光，使太赫茲光入射至所述光波導耦合層2，所述太赫茲探測器6則用來探測從所述光波導耦合層2反射的太赫茲光。
[0036]所述太赫茲量子級聯雷射器5是太赫茲波段非常有效的輻射源，不同的有源區結構獲得的雷射器的激射頻率在1.2?4.4THz範圍內，同時通過對雷射器的波導結構和諧振腔的設計可實現發射角小於20°的面發射。本發明根據被監測的大分子具有不同共振峰的需要，可對不同激射頻率的太赫茲量子級聯雷射器進行選擇。
[0037]所述光波導耦合層2可以採用本徵半導體，例如，GaAs0 GaAs在太赫茲波段的折射率nl約為3.5,因此,將光波導稱合層作為發生全反射的光密介質。
[0038]所述重摻雜半導體薄膜I選擇與光波導稱合層2晶格匹配的材料,例如，若光波導耦合層2採用GaAs，則重摻雜半導體薄膜I則可以採用Si重摻雜的GaAs或者Si重摻雜的Alai5Gaa85As ;當然，光波導耦合層2也可以是其他合適的材料，例如，所述光波導耦合層2為InP，則重摻雜半導體薄膜I為Si重摻雜InGaAs等，在此不限。
[0039]本實施例中，所述光波導耦合層2採用GaAs，所述重摻雜半導體薄膜I採用Si重摻雜的GaAs。
[0040]本實施例中，所述重摻雜半導體薄膜I的製備流程為:以2英寸半絕緣GaAs為襯底，採用分子束外延(MBE)生長或者化學氣相沉積(CVD)工藝生長約50nm厚的Si重摻雜GaAs薄膜層，摻雜濃度為5 X 118cnT3，要求薄膜厚度均勻性好。
[0041]需要說明的是，如圖2所示，上層材料為本徵GaAs，下層材料為Si重摻雜半導體薄膜層，Θ sp為實現等離子體共振的雷射入射的共振角，虛線箭頭則表示在重摻雜半導體薄膜I和傳感片3界面形成的表面等離子體共振波。重摻雜半導體薄膜I中由於Si摻雜引入了自由電子，因此隨著摻雜濃度的變大，根據Drude模型重摻雜半導體薄膜介電函數ε 2(ω)為:ω2(ι?"τ~ι
_2] ε?(ω) = S{)￡/(\ — _+1―)
O) + τ cd{ CO + T )
[0043]其中，ε ^為介電常數，ε⑵為半導體高頻介電函數，ω為入射光角頻率，τ為衰減時間，又稱為drude時間，約為0.1ps, ωρ為等離子振蕩角頻率可表示為:
e2n'n
[0044]ω = 4 -生τ.'V > m
[0045]其中，e為電子電量，n3D為摻雜密度，為電子有效質量。在太赫茲波段,重摻雜半導體薄膜介電函數的實部會變成負數，從而能夠在分子敏感膜與重摻雜半導體薄膜之間形成等離子體波。同時，計算得到的折射率η2(ω)也可以控制在I?2左右，因此，重摻雜半導體薄膜作為全反射結構的光疏介質。其中，消逝波沿著界面的傳播常數匕與表面等離子波的傳播常數β分別為:
[0046]sin Θ
C
OJ I 6\?\(ω)
[0047]β =—…,，、
c V ε~.+ ε? [ojj
[0048]其中，c為真空中的光速，ε I為光波導耦合層也就是本徵GaAs層的介電常數，ε 3為分子敏感膜的介電函數，Θ為折射角。因此，實現等離子體共振的雷射入射的共振時，共振角Θ sp為:
( 、1/2
[0049]θ = arcsm ~y —
[0050]通過調節入射太赫茲光至共振角，便可使得消逝波強度增強形成共振的表面等離子體波，在光波導耦合層和重摻雜半導體薄膜之間的界面上不會發生全反射。
[0051]所述傳感片3為分子敏感膜，是一種具有特異識別屬性的分子，其固定於重摻雜半導體的表面。所述分子敏感膜作為配體，具有太赫茲波段的共振吸收峰。通過監測共振吸收峰，從而明顯區別出配體是否與樣品通道中的待測大分子發生反應，並且實時監測反應時間。
[0052]本實施例中以胺基酸中的L-酪氨酸作為配體，將其固定於重摻雜半導體薄膜I的表面。胺基酸中的L-酪氨酸在2.06THz有吸收係數超過80%的共振吸收峰，因此，本實施例中選擇激射頻率為2.06THz的太赫茲量子級聯雷射器作為輻照源，如果L-酪氨酸不與樣品通道中的大分子發生反應，則L-酪氨酸保持原有的屬性，這樣重摻雜半導體薄膜I中產生的表面等離子體波會被L-酪氨酸共振吸收，光波導耦合層2和重摻雜半導體薄膜I界面的消逝波無法形成有效共振，這時能夠實現基本無衰減的全反射，在Si熱輻射探測器中可探測到全反射的太赫茲波能量。而如果L-酪氨酸被樣品通道中的大分子破壞，即發生反應，那麼分子敏感膜就無法吸收重摻雜半導體薄膜I中的表面等離子體波，表面等離子體波與光波導耦合層2和重摻雜半導體薄膜I界面的消逝波就形成了表面等離子體共振，光波導耦合層2和重摻雜半導體薄膜I界面處的全反射條件被破壞，呈現全反射衰減現象，使反射光能量急劇下降，在Si熱輻射探測器無法探測到全反射的太赫茲波能量。因此，通過本發明傳感器中的Si熱輻射探測器能否探測到全反射太赫茲波能量，就可以判斷大分子之間是否發生相互作用。
[0053]綜上所述，本發明提供一種表面等離子體共振的太赫茲傳感器，所述太赫茲傳感器至少包括:重摻雜半導體薄膜，包括第一表面和與所述第一表面相對的第二表面；光波導耦合層，形成於所述重摻雜半導體薄膜的第一表面；傳感片，形成於所述重摻雜半導體薄膜的第二表面，所述傳感片置於樣品通道中、與待測分子接觸；太赫茲量子級聯雷射器，發射太赫茲光至所述光波導耦合層；太赫茲探測器，探測從所述光波導耦合層反射的太赫茲光。本發明的太赫茲雷射器產生太赫茲雷射在光波導耦合層和重摻雜半導體薄膜表面產生全反射，在界面產生消逝波，同時在重摻雜半導體薄膜表面和分子敏感膜之間產生表面等離子體波，調節入射光到共振角度可使得消逝波和表面等離子體波形成共振。這種傳感器可實現生物大分子在太赫茲共振頻段的探測。
[0054]所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
[0055]上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術領域】中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
【權利要求】
1.一種表面等離子體共振的太赫茲傳感器，其特徵在於，所述太赫茲傳感器至少包括: 重摻雜半導體薄膜，包括第一表面和與所述第一表面相對的第二表面； 光波導耦合層，形成於所述重摻雜半導體薄膜的第一表面； 傳感片，形成於所述重摻雜半導體薄膜的第二表面，所述傳感片置於樣品通道中、與待測分子接觸； 太赫茲量子級聯雷射器，發射太赫茲光至所述光波導耦合層； 太赫茲探測器，探測從所述光波導耦合層反射的太赫茲光。
2.根據權利要求1所述的表面等離子體共振的太赫茲傳感器，其特徵在於:所述太赫茲量子級聯雷射器為激射固定頻率的雷射器，激射頻率的範圍為1.2?4.4THz。
3.根據權利要求1所述的表面等離子體共振的太赫茲傳感器，其特徵在於:所述光波導耦合層為本徵半導體，太赫茲光在所述光波導耦合層和重摻雜半導體薄膜之間形成全反射。
4.根據權利要求3所述的表面等離子體共振的太赫茲傳感器，其特徵在於:所述本徵半導體為GaAs。
5.根據權利要求1所述的表面等離子體共振的太赫茲傳感器，其特徵在於:所述重摻雜半導體薄膜為摻Si的GaAs薄膜，摻雜濃度為2 X 118?5X 1018cnT3。
6.根據權利要求1所述的表面等離子體共振的太赫茲傳感器，其特徵在於:所述重摻雜半導體薄膜的厚度範圍為40?60nm。
7.根據權利要求1所述的表面等離子體共振的太赫茲傳感器，其特徵在於:在所述重摻雜半導體薄膜和傳感片之間產生表面等離子體共振波。
8.根據權利要求1所述的表面等離子體共振的太赫茲傳感器，其特徵在於:所述傳感片為分子敏感膜，可與待測分子進行反應。
9.根據權利要求1所述的表面等離子體共振的太赫茲傳感器，其特徵在於:所述太赫茲探測器為Si熱輻射探測器。
【文檔編號】G01N21/552GK104316498SQ201410637244
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】王豐, 曹俊誠 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所