相位問詢型全介質(zhì)BIC超表面的新型折射率傳感器件

研究成果概述

2023年10月，浙江大學(xué)何賽靈研究團(tuán)隊(duì)在《Nano Letters》期刊在線發(fā)表了題為“Phase Interrogation Sensor Based on All-Dielectric BIC Metasurface”的研究論文，并被選作封面文章之一。該工作首次提出了相位問詢型全介質(zhì)BIC折射率傳感器的概念?；谝孕D(zhuǎn)角度為對稱破壞參數(shù)的硅矩形柱二聚體結(jié)構(gòu)進(jìn)行高靈敏度相位傳感，實(shí)驗(yàn)得到的折射率分辨率高出大多數(shù)全介質(zhì)超表面?zhèn)鞲衅鲀蓚€(gè)數(shù)量級以上。這項(xiàng)研究提出的相位問詢型全介質(zhì)BIC折射率傳感芯片將為全介質(zhì)超表面開創(chuàng)一個(gè)超靈敏分析傳感的時(shí)代，并為生化分析、醫(yī)學(xué)診斷和相關(guān)領(lǐng)域的極痕量檢測開辟可能性。

背景介紹

近年來，全介質(zhì)超表面（All-Dielectric Metasurface）因其低材料吸收、與CMOS工藝兼容、成本低廉和生物親和性出色等優(yōu)點(diǎn)，持續(xù)受到眾多關(guān)注。尤其是，基于連續(xù)介質(zhì)束縛態(tài)（Bound states In the Continuum, BIC）的全介質(zhì)超表面可實(shí)現(xiàn)超高Q值諧振，吸引了多領(lǐng)域的研究人員。BIC最初用來描述受限于勢壘中的電子，近年來擴(kuò)展到光及電磁波領(lǐng)域。BIC指的是連續(xù)譜中的離散態(tài)，這些態(tài)被束縛在連續(xù)模內(nèi)，不向外輻射，理論上具有無窮大Q值。這些獨(dú)特屬性使其在激光、非線性光學(xué)、手性光學(xué)、光譜成像和傳感等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

在折射率傳感領(lǐng)域，BIC的特性對傳感器性能提升至關(guān)重要。最近，有許多基于BIC的增強(qiáng)型折射率傳感器研究涌現(xiàn)。這些研究主要關(guān)注高Q值的BIC諧振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建和優(yōu)化，以提高傳感性能。然而，其折射率靈敏度仍然限制在數(shù)十至數(shù)百納米每RIU（折射率單位）范圍，明顯低于基于金屬襯底的傳感器（如等離子體傳感器和雙曲超材料傳感器）近兩個(gè)數(shù)量級，制約了BIC乃至全介質(zhì)超表面在超高靈敏度折射率傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。即使一些研究可實(shí)現(xiàn)與金屬襯底相當(dāng)?shù)钠焚|(zhì)因數(shù)（Figure of Merit, FoM），但由于靈敏度較低，其折射率分辨率通常僅為10-4到10-5 RIU量級，遠(yuǎn)低于基于金屬襯底的傳感器的折射率分辨率。這些限制使得全介質(zhì)BIC超表面無緣超高靈敏度傳感領(lǐng)域。

文章亮點(diǎn)

與金屬相比，基于全電介質(zhì)超表面的傳感器的低性能限制了其應(yīng)用和發(fā)展。這里，首次將全介質(zhì)BIC超表面用于高靈敏度的相位問詢型折射率傳感。實(shí)現(xiàn)了一種Q值可達(dá)1200的高性能微流控BIC傳感芯片。值得注意的是，本文創(chuàng)記錄的實(shí)現(xiàn)了2.7×104 degree/RIU的BIC相位傳感靈敏度。折射率分辨率比同類型傳感器高2-3個(gè)數(shù)量級。

圖1 BIC傳感超表面設(shè)計(jì)

雙矩形柱BIC表面?zhèn)鞲衅魇怯墒⒁r底上軸向?qū)ΨQ分布的雙矩形硅柱周期性排布形成的陣列，如圖1所示。矩形硅柱各自圍繞中心相反方向旋轉(zhuǎn)一定的角度，由于對面內(nèi)對稱性的破壞，使得原來受到對稱保護(hù)的BIC模式發(fā)生輻射泄漏，稱為準(zhǔn)BIC模式（Quasi-BIC）。這種準(zhǔn)BIC模式仍具有較大的Q值。局域于元胞結(jié)構(gòu)外部邊緣的電場分布，對利用其進(jìn)行高靈敏折射率傳感十分有利。反射行為表現(xiàn)出極大的旋轉(zhuǎn)角度約束性。Fano線形特征與共振線寬隨著旋轉(zhuǎn)角度的減?。▽ΨQ性的恢復(fù)）不斷減小。Q值與旋轉(zhuǎn)角度θ的負(fù)二次方存在線性約束關(guān)系。BIC超表面通常采用電子束曝光工藝進(jìn)行制備加工，核心設(shè)備為電子束曝光機(jī)（Electron Beam Lithography, EBL），采用蒸鍍工藝制備刻蝕的金屬掩膜?？膳c半導(dǎo)體微納加工工藝（光刻、刻蝕等）相兼容。

圖2 BIC超表面結(jié)構(gòu)陣列的制備表征

圖2中所示BIC陣列的共振波長在1550 nm附近，這為今后的半導(dǎo)體兼容工藝及標(biāo)準(zhǔn)化工藝打下基礎(chǔ)。不同旋轉(zhuǎn)角度BIC陣列表現(xiàn)出散射強(qiáng)度的明顯差異。5個(gè)不同旋轉(zhuǎn)角度的BIC陣列被加工、制備及良好表征，垂直性良好。芯片采用玻璃基底制備，可與PDMS等高聚物方便的實(shí)現(xiàn)等離子體共價(jià)鍵合，制備得到BIC微流控芯片（圖3），具備微升量級液相檢測的應(yīng)用潛力。

圖3 高性能BIC微流控傳感芯片

圖4 BIC結(jié)構(gòu)陣列的光譜特性測試

搭建的超表面光學(xué)測試系統(tǒng)，可用于透射光譜測量和反射相位提取。透射光譜呈現(xiàn)出顯著的束縛態(tài)特性（圖4），共振線寬隨旋轉(zhuǎn)角度減?。ㄔY(jié)構(gòu)面內(nèi)對稱性的恢復(fù)）而不斷縮小。實(shí)驗(yàn)Q值可達(dá)1200，對應(yīng)5°旋轉(zhuǎn)角度的BIC陣列。該BIC結(jié)構(gòu)具有對入射角度不敏感的特點(diǎn)，并且具備偏振選擇性，為相位提?。ㄕ黄穹至康南辔徊睿┘跋辔粋鞲刑峁┝死碚摶A(chǔ)。

文章中的BIC結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)良的折射率敏感性，其共振波長漂移的傳感靈敏度可以達(dá)到501 nm/RIU，略高于同類型BIC折射率傳感器。圖5中，相位光譜（相位隨波長的變化關(guān)系）的變化劇烈程度與旋轉(zhuǎn)角度（對稱破缺量）存在顯著約束關(guān)系。相位折射率傳感顯示出優(yōu)異的傳感性能，傳感靈敏度達(dá)到2.7×104 deg/RIU。根據(jù)估算，折射率的分辨能力可達(dá)10-7 RIU量級。這一性能明顯超過絕大部分BIC超表面和全介質(zhì)超表面，其折射率分辨率通常為10-4到10-5 RIU量級左右。

圖5 相位及波長參量的折射率傳感性能

文章亮點(diǎn)總結(jié)與展望

首次提出了相位問詢型全介質(zhì)BIC折射率傳感器的概念。利用硅矩形柱二聚體結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)角度作為對稱性破壞參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了高度敏感的相位傳感，創(chuàng)記錄的達(dá)到了2.7×104 deg/RIU的BIC相位傳感靈敏度，其折射率分辨率高出大多數(shù)全介質(zhì)超表面?zhèn)鞲衅?-3個(gè)數(shù)量級。這項(xiàng)研究將為BIC超表面乃至全介質(zhì)超表面開創(chuàng)一個(gè)超靈敏分析傳感的嶄新時(shí)代，為其在生化分析、醫(yī)學(xué)診斷和相關(guān)領(lǐng)域的極痕量檢測開辟了可能性。

審核編輯：劉清