一種表面等離子體共振的太赫茲傳感器制造技術

本發明專利技術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，形成于所述重摻雜半導體薄膜的第一表面；傳感片，形成于所述重摻雜半導體薄膜的第二表面，所述傳感片置于樣品通道中、與待測分子接觸；太赫茲量子級聯激光器，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。本發明專利技術的激光器產生太赫茲激光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。

【技術實現步驟摘要】
一種表面等離子體共振的太赫茲傳感器
本專利技術涉及傳感器
，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。
技術介紹
太赫茲波段是介于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。由于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。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制藥領域一種重要的研究工具。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征峰。而目前對生物大分子的波譜分析主要采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。由于普通棱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，因此適用于現有表面等離子體共振傳感器的普通棱鏡和金屬薄膜的全反射結構在太赫茲波段并不適用。又由于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，因此適用于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。鑒于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并不適用，本專利技術提出了本征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。
技術實現思路
鑒于以上所述現有技術的缺點，本專利技術的目的在于提供一種表面等離子體共振的太赫茲傳感器，用于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。為實現上述目的及其他相關目的，本專利技術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，形成于所述重摻雜半導體薄膜的第一表面；傳感片，形成于所述重摻雜半導體薄膜的第二表面，所述傳感片置于樣品通道中、與待測分子接觸；太赫茲量子級聯激光器，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。作為本專利技術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激光器為激射固定頻率的激光器，激射頻率的范圍為1.2～4.4THz。作為本專利技術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征半導體，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。作為本專利技術表面等離子體共振的太赫茲傳感器的一種優化的方案，所述本征半導體為GaAs。作為本專利技術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*1018cm-3。作為本專利技術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范圍為40～60nm。作為本專利技術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。作為本專利技術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。作為本專利技術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。如上所述，本專利技術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，形成于所述重摻雜半導體薄膜的第一表面；傳感片，形成于所述重摻雜半導體薄膜的第二表面，所述傳感片置于樣品通道中、與待測分子接觸；太赫茲量子級聯激光器，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。本專利技術的太赫茲激光器產生太赫茲激光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。附圖說明圖1為本專利技術太赫茲傳感器的結構示意圖。圖2為本專利技術太赫茲波在傳感器中傳播的路徑示意圖。元件標號說明1重摻雜半導體薄膜2光波導耦合層3傳感片4樣品通道5太赫茲量子級聯激光器6太赫茲探測器具體實施方式以下通過特定的具體實例說明本專利技術的實施方式，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專利技術的其他優點與功效。本專利技術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于不同觀點與應用，在沒有背離本專利技術的精神下進行各種修飾或改變。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專利技術的基本構想，遂圖式中僅顯示與本專利技術中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，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復雜。本專利技術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、太赫茲量子級聯激光器5以及太赫茲探測器6。所述重摻雜半導體薄膜1包括第一表面和與所述第一表面相對的第二表面，所述光波導耦合層2形成于所述重摻雜半導體薄膜1的第一表面，所述傳感片3形成于所述重摻雜半導體薄膜1的第二表面，將其置于樣品通道4中、與待測分子接觸，所述太赫茲量子級聯激光器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。所述太赫茲量子級聯激光器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激光器的激射頻率在1.2～4.4THz范圍內，同時通過對激光器的波導結構和諧振腔的設計可實現發射角小于20°的面發射。本專利技術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激光器進行選擇。所述光波導耦合層2可以采用本征半導體，例如，GaAs。GaAs在太赫茲波段的折射率n1約為3.5，因此，將光波導耦合層作為發生全反射的光密介質。所述重摻雜半導體薄膜1選擇與光波導耦合層2晶格匹配的材料，例如，若光波導耦合層2采用GaAs，則重摻雜半導體薄膜1則可以采用Si重摻雜的GaAs或者Si重摻雜的Al0.15Ga0.85As；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1為Si重摻雜InGaAs等，在此不限。本實施例中，所述光波導耦合層2采用GaAs，所述重摻雜半導體薄膜1采用Si重摻雜的GaAs。本實施例中，所述重摻雜半導體薄膜1的制備流程為：以2英寸半絕緣GaAs為襯底，采用分子束外延(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5×1018cm-3，要求薄膜厚度均勻性好。需要說明的是，如圖2所示，上層材料為本征本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種表面等離子體共振的太赫茲傳感器，其特征在于，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，形成于所述重摻雜半導體薄膜的第一表面；傳感片，形成于所述重摻雜半導體薄膜的第二表面，所述傳感片置于樣品通道中、與待測分子接觸；太赫茲量子級聯激光器，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。

【技術特征摘要】
1.一種表面等離子體共振的太赫茲傳感器，其特征在于，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，形成于所述重摻雜半導體薄膜的第一表面；傳感片，形成于所述重摻雜半導體薄膜的第二表面，所述傳感片置于樣品通道中、與待測分子接觸；太赫茲量子級聯激光器，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；其中，在接收到所述太赫茲量子級聯激光器發射的太赫茲光時，所述光波導耦合層的表面產生全反射，所述光波導耦合層和所述重摻雜半導體薄膜的界面產生消逝波，所述重摻雜半導體薄膜的表面和所述傳感片之間產生表面等離子體波；所述太赫茲傳感器適于通過所述太赫茲探測器探測從所述光波導耦合層反射的太赫茲光是否為全反射太赫茲波能量，以判斷所述待測分子之間是否發生相互作用；其中，所述傳感片為由L-酪氨酸構成的分子敏感膜，所述太赫茲量子級聯激光器為具有2.06THz激射頻率的輻照源，所述太赫茲探測器為Si熱輻射探測器；在所述L-酪氨酸和所述樣品通道中的待測分子不發生反應時，所述L-酪氨酸吸收所述表面等離子體波，所述表面等離子體波與所述消逝波無法形成表面等離子體共振，所述Si熱輻射探測器探測到全反射太赫茲波能量；在所述L-酪氨酸和所述樣品通道中的待測分子發生反應時，所述L-酪氨酸無法...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王豐，曹俊誠，
申請(專利權)人：中國科學院上海微系統與信息技術研究所，
類型：發明
國別省市：上海;31