相位问询型全介质BIC超表面的新型折射率传感器件

研究成果概述

2023年10月，浙江大学何赛灵研究团队在《Nano Letters》期刊在线发表了题为“Phase Interrogation Sensor Based on All-Dielectric BIC Metasurface”的研究论文，并被选作封面文章之一。该工作首次提出了相位问询型全介质BIC折射率传感器的概念。基于以旋转角度为对称破坏参数的硅矩形柱二聚体结构进行高灵敏度相位传感，实验得到的折射率分辨率高出大多数全介质超表面传感器两个数量级以上。这项研究提出的相位问询型全介质BIC折射率传感芯片将为全介质超表面开创一个超灵敏分析传感的时代，并为生化分析、医学诊断和相关领域的极痕量检测开辟可能性。         

背景介绍

近年来，全介质超表面（All-Dielectric Metasurface）因其低材料吸收、与CMOS工艺兼容、成本低廉和生物亲和性出色等优点，持续受到众多关注。尤其是，基于连续介质束缚态（Bound states In the Continuum, BIC）的全介质超表面可实现超高Q值谐振，吸引了多领域的研究人员。BIC最初用来描述受限于势垒中的电子，近年来扩展到光及电磁波领域。BIC指的是连续谱中的离散态，这些态被束缚在连续模内，不向外辐射，理论上具有无穷大Q值。这些独特属性使其在激光、非线性光学、手性光学、光谱成像和传感等领域具有广泛应用前景。

在折射率传感领域，BIC的特性对传感器性能提升至关重要。最近，有许多基于BIC的增强型折射率传感器研究涌现。这些研究主要关注高Q值的BIC谐振结构的设计、构建和优化，以提高传感性能。然而，其折射率灵敏度仍然限制在数十至数百纳米每RIU（折射率单位）范围，明显低于基于金属衬底的传感器（如等离子体传感器和双曲超材料传感器）近两个数量级，制约了BIC乃至全介质超表面在超高灵敏度折射率传感领域的应用。即使一些研究可实现与金属衬底相当的品质因数（Figure of Merit, FoM），但由于灵敏度较低，其折射率分辨率通常仅为10-4到10-5 RIU量级，远低于基于金属衬底的传感器的折射率分辨率。这些限制使得全介质BIC超表面无缘超高灵敏度传感领域。

文章亮点

与金属相比，基于全电介质超表面的传感器的低性能限制了其应用和发展。这里，首次将全介质BIC超表面用于高灵敏度的相位问询型折射率传感。实现了一种Q值可达1200的高性能微流控BIC传感芯片。值得注意的是，本文创记录的实现了2.7×104 degree/RIU的BIC相位传感灵敏度。折射率分辨率比同类型传感器高2-3个数量级。

图1 BIC传感超表面设计

双矩形柱BIC表面传感器是由石英衬底上轴向对称分布的双矩形硅柱周期性排布形成的阵列，如图1所示。矩形硅柱各自围绕中心相反方向旋转一定的角度，由于对面内对称性的破坏，使得原来受到对称保护的BIC模式发生辐射泄漏，称为准BIC模式（Quasi-BIC）。这种准BIC模式仍具有较大的Q值。局域于元胞结构外部边缘的电场分布，对利用其进行高灵敏折射率传感十分有利。反射行为表现出极大的旋转角度约束性。Fano线形特征与共振线宽随着旋转角度的减小（对称性的恢复）不断减小。Q值与旋转角度θ的负二次方存在线性约束关系。BIC超表面通常采用电子束曝光工艺进行制备加工，核心设备为电子束曝光机（Electron Beam Lithography, EBL），采用蒸镀工艺制备刻蚀的金属掩膜。可与半导体微纳加工工艺（光刻、刻蚀等）相兼容。

图2 BIC超表面结构阵列的制备表征

图2中所示BIC阵列的共振波长在1550 nm附近，这为今后的半导体兼容工艺及标准化工艺打下基础。不同旋转角度BIC阵列表现出散射强度的明显差异。5个不同旋转角度的BIC阵列被加工、制备及良好表征，垂直性良好。芯片采用玻璃基底制备，可与PDMS等高聚物方便的实现等离子体共价键合，制备得到BIC微流控芯片（图3），具备微升量级液相检测的应用潜力。

图3 高性能BIC微流控传感芯片

图4 BIC结构阵列的光谱特性测试

搭建的超表面光学测试系统，可用于透射光谱测量和反射相位提取。透射光谱呈现出显著的束缚态特性（图4），共振线宽随旋转角度减小（元胞结构面内对称性的恢复）而不断缩小。实验Q值可达1200，对应5°旋转角度的BIC阵列。该BIC结构具有对入射角度不敏感的特点，并且具备偏振选择性，为相位提取（正交偏振分量的相位差）及相位传感提供了理论基础。

文章中的BIC结构展现出优良的折射率敏感性，其共振波长漂移的传感灵敏度可以达到501 nm/RIU，略高于同类型BIC折射率传感器。图5中，相位光谱（相位随波长的变化关系）的变化剧烈程度与旋转角度（对称破缺量）存在显著约束关系。相位折射率传感显示出优异的传感性能，传感灵敏度达到2.7×104 deg/RIU。根据估算，折射率的分辨能力可达10-7 RIU量级。这一性能明显超过绝大部分BIC超表面和全介质超表面，其折射率分辨率通常为10-4到10-5 RIU量级左右。

图5 相位及波长参量的折射率传感性能

文章亮点总结与展望

首次提出了相位问询型全介质BIC折射率传感器的概念。利用硅矩形柱二聚体结构，通过旋转角度作为对称性破坏参数，实现了高度敏感的相位传感，创记录的达到了2.7×104 deg/RIU的BIC相位传感灵敏度，其折射率分辨率高出大多数全介质超表面传感器2-3个数量级。这项研究将为BIC超表面乃至全介质超表面开创一个超灵敏分析传感的崭新时代，为其在生化分析、医学诊断和相关领域的极痕量检测开辟了可能性。

审核编辑：刘清