相位問詢型全介質BIC超表面的新型折射率傳感器件

研究成果概述

2023年10月，浙江大學何賽靈研究團隊在《Nano Letters》期刊在線發表了題為“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BIC折射率傳感器的概念?；谝孕D角度為對稱破壞參數的硅矩形柱二聚體結構進行高靈敏度相位傳感，實驗得到的折射率分辨率高出大多數全介質超表面傳感器兩個數量級以上。這項研究提出的相位問詢型全介質BIC折射率傳感芯片將為全介質超表面開創一個超靈敏分析傳感的時代，并為生化分析、醫學診斷和相關領域的極痕量檢測開辟可能性。

背景介紹

近年來，全介質超表面（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點，持續受到眾多關注。尤其是，基于連續介質束縛態（Bound states In the Continuum, BIC）的全介質超表面可實現超高Q值諧振，吸引了多領域的研究人員。BIC最初用來描述受限于勢壘中的電子，近年來擴展到光及電磁波領域。BIC指的是連續譜中的離散態，這些態被束縛在連續模內，不向外輻射，理論上具有無窮大Q值。這些獨特屬性使其在激光、非線性光學、手性光學、光譜成像和傳感等領域具有廣泛應用前景。

在折射率傳感領域，BIC的特性對傳感器性能提升至關重要。最近，有許多基于BIC的增強型折射率傳感器研究涌現。這些研究主要關注高Q值的BIC諧振結構的設計、構建和優化，以提高傳感性能。然而，其折射率靈敏度仍然限制在數十至數百納米每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）近兩個數量級，制約了BIC乃至全介質超表面在超高靈敏度折射率傳感領域的應用。即使一些研究可實現與金屬襯底相當的品質因數（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BIC超表面無緣超高靈敏度傳感領域。

文章亮點

與金屬相比，基于全電介質超表面的傳感器的低性能限制了其應用和發展。這里，首次將全介質BIC超表面用于高靈敏度的相位問詢型折射率傳感。實現了一種Q值可達1200的高性能微流控BIC傳感芯片。值得注意的是，本文創記錄的實現了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個數量級。

圖1 BIC傳感超表面設計

雙矩形柱BIC表面傳感器是由石英襯底上軸向對稱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一定的角度，由于對面內對稱性的破壞，使得原來受到對稱保護的BIC模式發生輻射泄漏，稱為準BIC模式（Quasi-BIC）。這種準BIC模式仍具有較大的Q值。局域于元胞結構外部邊緣的電場分布，對利用其進行高靈敏折射率傳感十分有利。反射行為表現出極大的旋轉角度約束性。Fano線形特征與共振線寬隨著旋轉角度的減?。▽ΨQ性的恢復）不斷減小。Q值與旋轉角度θ的負二次方存在線性約束關系。BIC超表面通常采用電子束曝光工藝進行制備加工，核心設備為電子束曝光機（Electron Beam Lithography, EBL），采用蒸鍍工藝制備刻蝕的金屬掩膜?？膳c半導體微納加工工藝（光刻、刻蝕等）相兼容。

圖2 BIC超表面結構陣列的制備表征

圖2中所示BIC陣列的共振波長在1550 nm附近，這為今后的半導體兼容工藝及標準化工藝打下基礎。不同旋轉角度BIC陣列表現出散射強度的明顯差異。5個不同旋轉角度的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等高聚物方便的實現等離子體共價鍵合，制備得到BIC微流控芯片（圖3），具備微升量級液相檢測的應用潛力。

圖3 高性能BIC微流控傳感芯片

圖4 BIC結構陣列的光譜特性測試

搭建的超表面光學測試系統，可用于透射光譜測量和反射相位提取。透射光譜呈現出顯著的束縛態特性（圖4），共振線寬隨旋轉角度減?。ㄔY構面內對稱性的恢復）而不斷縮小。實驗Q值可達1200，對應5°旋轉角度的BIC陣列。該BIC結構具有對入射角度不敏感的特點，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。

文章中的BIC結構展現出優良的折射率敏感性，其共振波長漂移的傳感靈敏度可以達到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系）的變化劇烈程度與旋轉角度（對稱破缺量）存在顯著約束關系。相位折射率傳感顯示出優異的傳感性能，傳感靈敏度達到2.7×104 deg/RIU。根據估算，折射率的分辨能力可達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

文章亮點總結與展望

首次提出了相位問詢型全介質BIC折射率傳感器的概念。利用硅矩形柱二聚體結構，通過旋轉角度作為對稱性破壞參數，實現了高度敏感的相位傳感，創記錄的達到了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全介質超表面傳感器2-3個數量級。這項研究將為BIC超表面乃至全介質超表面開創一個超靈敏分析傳感的嶄新時代，為其在生化分析、醫學診斷和相關領域的極痕量檢測開辟了可能性。

審核編輯：劉清