基于椭圆硅纳米二聚体的折叠结构工程准BIC(Band-Folding-Engineered Quasi-BICs)实现高光学非线性(FOM)折射率传感:设计与优化

时间:2025年11月29日
来源:Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications

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高灵敏度折射率传感 metasurface 设计及参数补偿策略研究。通过非对称椭圆双硅圆柱阵列实现准束缚连续态(QBIC)共振,磁偶极和电四极子主导辐射场。几何调谐使灵敏度提升28.7%至770.7 nm·RIU-1,参数补偿解耦波长与不对称参数Δα,保持半高宽与Δα反比关系,FOM突破105 nm·RIU-1

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邱武|邵阳|吴山
安徽高等教育机构信息功能材料与器件重点实验室,阜阳师范学院,阜阳,236037,中国

摘要

在这项工作中,我们研究了一种由具有垂直于平面对称性破缺的周期性非对称椭圆双硅圆柱阵列构成的超表面。该设计结构支持连续介质中的带折叠准束缚态(QBICs),其中磁偶极(MD)和电四极(EQ)是主导的辐射分量,控制着共振现象。通过其初始几何配置,该超表面展示了出色的折射率(RI)传感能力,基线灵敏度达到了603.75 × 10⁻¹ RIU。通过参数空间探索,我们通过战略性几何调谐将灵敏度提高了28.7%,达到770.7 × 10⁻¹ RIU。通过在QBIC实现过程中实施参数补偿策略,我们成功地将共振波长与结构不对称性变化解耦,同时保持了半高宽(FWHM)与对称性破缺参数(Δα)之间的反比关系。通过系统调整Δα,我们实现了超过10⁵ RIU的优异性能指标(FOM)。这项工作在基于BIC的传感技术中弥合了极端场局域化与光谱稳定性之间的差距。

引言

由于生物传感器在食品安全监测、环境监控和生物医学诊断等众多领域的广泛应用,它们在过去几十年中引起了极大的科学兴趣[1],[2],[3],[4],[5]。特别是折射率(RI)传感器,这类无标记检测技术能够通过精确测量折射率变化来实现生物分子相互作用的实时监测。这些特性促进了它们在实际分析应用中的广泛采用[6],[7],[8]。随后,微纳制造技术的进步推动了具有精确工程化周期性或非周期性结构的超表面人工结构的发展。这些纳米结构系统由于其在多维光学操控方面的无与伦比的能力而在传感研究中受到了越来越多的关注。传统的基于超表面的RI传感器主要采用贵金属纳米结构,利用它们支持表面等离子体极化激元(SPPs)的能力来增强光与物质的相互作用[9],[10],[11],[12]。然而,高内在损耗限制了它们的应用范围。研究人员转向所有能够激发极化电荷共振的全介电材料,这些材料提供多极电共振和磁共振[13]。值得注意的是,性能指标(FOM)是一个综合评估品质因数(Q)提升和灵敏度优化的关键指标,它是量化这些基于共振的器件最终检测能力的关键指标。这种双参数评估范式对于设计具有亚波长光与物质相互作用精度的传感器架构变得不可或缺。具有高Q值的Mie共振因其在推进高性能传感器技术中的关键作用而受到越来越多的关注。
基于全介电超表面的BICs在过去几年中受到了密集研究,因为它们具有无限高的Q值。作为暗态,它们是辐射域中禁止辐射的本征态[14],[15],[16]。其中,对称性保护的BICs(SP-BICs)[17],[18]最容易在实验中实现,并且可以通过破坏结构对称性转变为具有超高Q值的QBICs[19],[20],[21],[22],[23],[24],[25],[26]。这一特性使它们成为高性能传感器的理想平台[27],[28],[29],[30],[31],[32]。QBIC共振的Q值与不对称性参数成反比关系,当结构对称性恢复时,理论上Q值趋近于无穷大[33]。这种独特的缩放定律使得通过极端场局域化实现精确传感成为可能。然而,在传统的基于QBIC的传感设计中仍存在一个关键的科学问题:大多数依赖于平面对称性破缺的实现方式表现出共振波长与不对称性参数之间的强耦合[29],[34]。这种依赖性使得在减少不对称性的同时稳定操作波长变得具有挑战性,从而限制了需要固定激发波长的实际应用。
在这项工作中,我们展示了一种由具有垂直于平面对称性破缺的周期性非对称椭圆硅纳米二聚体阵列构成的超表面。通过布里渊区折叠机制实现了TE偏振的QBIC共振。所提出的结构展示了出色的RI传感性能。通过系统的参数空间探索,我们展示了通过战略性几何调谐进行灵敏度优化的整个过程。更重要的是,通过在QBIC激发过程中实施参数补偿策略,我们成功地将共振波长与结构不对称性参数α解耦,同时保持了FWHM与α之间的反比关系。通过逐步调整Δα,我们实现了超过10⁵ RIU的创纪录优异性能指标(FOM)。这一设计不仅为高性能传感提供了一条新途径,还因其独特的解耦能力而具有重要意义。

结果与讨论

我们通过精心设计的超表面,对连续介质中的束缚态(BICs)及其折射率传感应用进行了数值研究。如图1(a)和(b)所示,所提出的结构由排列在SiO₂基底上的周期性带缺口的椭圆硅纳米二聚体阵列组成。为了确保准确的远场透射率测量,空气覆盖层和SiO₂基底的厚度均超过了...

结论

在这项工作中,我们通过布里渊区折叠BIC工程实现了一种基于介电超表面的折射率(RI)传感平台。该结构采用具有垂直于平面对称性破缺的周期性非对称椭圆双硅圆柱阵列,实现了横向电(TE)偏振的准BIC(q-BIC)共振。通过分解多极分析,我们确定了磁偶极和电四极是控制q-BIC共振的主要辐射通道。

披露

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

资助

这项工作得到了安徽省教育厅研究基金(项目编号:2023AH050421;2022AH051342;gxgnfx2022030)、阜阳师范学院青年人才基金重点项目(项目编号:rcxm20231000)、电子信息高峰学科信息功能材料结构与器件重点实验室开放项目(FDMI202305)、安徽省自然科学基金(项目编号:2008085MA28)的支持。

CRediT作者贡献声明

吴山:撰写 – 审稿与编辑、软件开发、资金获取、形式分析。邵阳:形式分析、数据管理。邱武:撰写 – 初稿撰写、软件开发、资源获取、项目管理、方法论设计、实验研究、资金获取、形式分析。

利益冲突声明

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