论文摘要
基于光子晶体结构的表面等离子体共振（surface plasmon resonance,SPR）器件由于其独特的光学特性,已成为国内外的一个研究热点。对这方面的研究具有很高的学术意义和广泛的应用前景。本文研究了基于二维光子晶体结构的SPR器件,并开展了该器件在MEMS红外辐射源和生物分子检测等领域的应用研究。本文的主要工作有以下几方面:1.设计、制作了一种基于二维光子晶体结构的SPR器件,器件基本结构为Si-SiO2（650nm） -Cr（100nm） -Au（800nm）,并在表面形成5μm深的周期性排列的圆孔。为了研究器件特性,设计了不同的晶格常数、直径以及圆孔排列方式的图形。2.系统研究了该器件不同结构参数和红外反射谱的关系。利用FDTD软件进行模拟以及采用红外傅立叶测量仪器测量了不同器件结构的红外反射谱,发现模拟和测量结果基本相符。具体结果如下:该器件SPR共振峰位置基本与圆孔间距即晶格常数成正比,正方型排列基本接近于1∶1,而六边型排列基本接近于31/2/2;常规六边型排列比带缺陷六边型排列和正方型排列具有更窄的半波宽和更大的SPR共振强度;随着圆孔直径和圆孔间距之比变大,该辐射源的SPR共振峰强度变大。3.基于对该器件的红外辐射特性研究,提出了一种新型的SPR-MEMS红外光源。设计并制作了四种不同的光源结构,两种基本结构为Si衬底—SiO2（650nm）—Si3N4（200nm）—Pt（200nm）和Si衬底—SiO2（650nm）—Si3N4（200nm）—Pt（200nm）—Si3N4（200nm）—Au（80nm）,并在表面刻蚀大约50m深的周期性正方型排列的圆孔,其中SiO2和Si3N4为隔离层,防止光源热量的散失,Pt为发热材料。对于这两种不同的结构,分别设计了两种不同形状的Pt灯丝形状,分别为平板加热型和弓字加热型。目前该光源的工艺流程已进展至最后背面腐蚀工艺。4.开展了该器件在人免疫球蛋白G生物分子检测的应用研究。通过对器件进行表面修饰和抗原抗体之间的结合,利用红外傅立叶光谱仪进行测量,得出未修饰、仅修饰抗体、和抗原抗体结合三种不同情况的红外反射谱SPR共振峰,可以探测出表面修饰的人免疫球蛋白G生物分子。5.提出了一种制作可调谐光子晶体的新方法,以该器件为模版,利用纳米压印技术制作了琼脂糖水凝胶可调谐光子晶体。