文 | 煜捷史馆
编辑 | 煜捷史馆
-＜纳米复合材料的异质结构＞-
在过去的几十年里，在气体传感、生化传感和化学传感领域，表面等离子体共振（SPR）传感器已被广泛使用。
为了制造SPR传感器，像金（Au）/银（Ag）这样的金属主要被用于Kretschmann配置。
在提议的结构中，我们使用了蓝磷烯/MoS2异质结构与银和黑磷（BP）层。
石墨烯在众多光电子系统中应用的出现，促使研究人员研究其他二维（2D）材料，显示出它们对正在进行的技术的重大贡献。
接下来，煜捷将为你讲述纳米复合材料的异质结构，对提升SPR传感器灵敏度的特殊效用。
由于量子禁锢效应，二维材料与它们的大块对应物相比，表现出独特的物理、化学和光学特性。
一种新型的二维材料已被用于制造这种SPR生物传感器结构，同时对每一层的影响进行了分析。
在拟议的SPR生物传感器中，在决定拟议的拓扑结构之前，已经从理论上研究了不同的棱镜、BP和BlueP/MoS2层。
使用基于角度询问技术的转移矩阵法模拟了适应结构的灵敏度特性，发现这种新结构的灵敏度可以明显提高。
最近，二维材料在光电器件中的应用得到了探索。传统的单金属膜SPR生物传感器的灵敏度一直很有限。
自2014年以来，BP成为一种新的有前途的二维材料，以其广泛的可调谐和直接带隙、高载流子迁移率以及出色的电学、光学和光子特性吸引了大量关注。
同时，BlueP和二维材料的异质结构也被用来提高灵敏度。BlueP与黑色磷光体一样稳定，其窄带隙使其成为传感应用的理想选择。
然而，当二维材料的层数增加时，由于角度范围的限制，谐振角的差异会减少，从而使灵敏度连续下降。
角度敏感度不影响金属厚度，它可以通过增加敏感度来概括（从32纳米到55纳米），更高的灵敏度可以通过MoS2增强结构的优化参数来实现。
通过精确调整金膜厚度和BP层间的数量，可以获得精致的效率。
为了在拟议的配置中实现高灵敏度，我们使用Caf2作为耦合棱镜，因为其折射率（R.I.）值较低。
据研究，通过使用优化的MoS2层的数量，我们将获得更高的系统检测精度。
在这个结构中，蓝色磷光体/MoS2的异质结构有一个银金属层和BP层。
使用角度询问法模拟了适应性结构的灵敏度特性，发现使用这种新结构可以显著提高灵敏度。
拟议的SPR生物传感器的性能通过MATLAB软件在理论上实现。
在模拟中，我们假设棱镜在横向上是均匀的，并且有无限的厚度。
此外，为了获得最佳的模拟结果，蓝磷酸盐/MoS2层的数量也得到了澄清。
银具有显著的光学特性，包括低光学阻尼，在可见光频率下没有带间传输，更突出的共振峰和更窄的SPR曲线，以及其他属性。
由于这个原因，在开发SPR传感器时，它有可能成为一个有利的材料选择。
因此，利用银作为质子材料，可以达到更高的灵敏度。
另外，BP公司还使用了另一种材料，帮助所提出的SPR传感器更加敏感。
这种材料是磷，它的每个原子上都有一对，这使得它对空气的反应性很强。
这种原子排列使黑磷晶格有两个不同的方向：平行于原子脊的之字形和垂直于原子脊的扶手形（垂直于原子脊）。
这种强烈的结构各向异性使其在同一平面内具有独特的电和光学特性。
MoS2单层和BlueP具有六方晶格结构，因此将BlueP堆叠在MoS2上面很容易形成异质结构。
共价键确保了平面内的稳定性。这种异质结构可以防止外部磷化物的降解。
异质结构和传感器层之间的直接接触增加了吸附力并增强了界面场。
这项工作探索了在Ag之上用异质结构层提高灵敏度。
BlueP/MoS2防止Ag层氧化。BlueP/MoS2异质结构是与分析物接触的第四层。
在拟议的SPR生物传感器中，不同的棱镜比较以及BP和BlueP/MoS2层的选择已经在理论上进行了研究，以实现最大的灵敏度。
-＜拟议传感器的设计考虑＞-
拟议的SPR传感器的结构是用Kretschmann配置考虑的。
如图所示，拟议的传感器是一个六层结构。
在棱镜的一个面上，应用来自工作波长（λ）为662纳米的光源的TM偏振光，并使用适当的光电探测器阵列仪器获得反射光。
SPR传感器使用的是带有银金属涂层的Caf2棱镜（λ=662纳米时的折射率n∘=1.43286）。
金属膜（Ag）的折射率nAg = 0.04944+i ×4.5027，BP的折射率nBP = 3.8337+i ×0.015215。
蓝磷酸盐/MoS2异质结构的折射率被认为是nBlueP/MoS2 = 2.7915+i ×0.335 。在662纳米的波长下，感应层的折射率被选为nS = 1.33。
在这个建议的安排中，BP层被夹在两层Ag薄膜之间。第一层和第三层的银膜厚度被认为分别为40纳米和8纳米。
BP的宽度被确定为Ds=M×0.65纳米。蓝色磷光体/MoS2的厚度被计算为蓝色磷光体/MoS2 = N ×0.75 nm，其中M和N分别是BP和蓝色磷光体/MoS2的层数。
拟议的多层结构的反射率是用表达式来计算的：
其中：
p、m和d分别表示棱镜、金属和电介质。在上述过程中，当共振条件得到满足时，反射曲线上的共振凹陷就会按公式实现。
-＜结果和讨论＞-
在所提出的新型结构中，折射率传感器的特性已经由BlueP/MoS2异质结构、金属银和BP层通过Kretschmann配置进行了模拟。
所提出的折射率传感器显示了更好的灵敏度，足以用于检测溶解在水中的生物液体、溶解在水分子中的生化物质、硬水检测、软水检测等等。
在这方面，我们研究了所提出的结构的反射图作为入射角的函数，以精确估计灵敏度的提高。
拟议的SPR传感器的参数已经从文献中提取出来，并逐层考虑了D1、D2、D3和D4的优化厚度，然后通过模拟结果来实现拟议的SPR结构的最大灵敏度。
在拟议的传感器中，第一层和第三层的Ag厚度分别为40纳米和8纳米，BlueP/MoS2=0.75纳米，BP=0.65纳米，在可见的662纳米波长下被考虑。
由于SPR的激发，已经观察到由于SPR波能量的激发，在某一角度的反射图中出现了急剧的下降，该波能量被感应层或物质所吸附。
尽管由于传感层折射率的轻微变化，SPR角度有一个小的偏移，但共振倾角仍有一个明显的偏移，约δθ=2.29°。
显然，这是由于感应头上的分子互动不明显。灵敏度参数可以在公式的帮助下持续计算。
我们发现，在适当优化层数和每层厚度的同时，所提出的结构的灵敏度参数提高到458°/RIU。
而在所有计算中，模拟的折射率范围是在1.331到1.336之间。
由于棱镜和金层在过去的SPR结构中是传统使用的，因此选择了类似的基于棱镜的结构与新型的二维材料相结合，以达到最佳的折射率传感器的灵敏度。
考虑到BP和以Ag为金属层的BlueP/MoS2异质结构层，结构比以前的结构有所改进。
感应层的折射率可以用来监测所提出的折射率传感器的灵敏度研究。
下图说明了化学传感器的灵敏度与拟议的BP和BlueP/MoS2异质结构中传感层的折射率之间的关系。
图（a）显示了Ag + BP + Ag + BlueP/MoS2异质结构在1.332至1.336的R.I.范围内的反射率与入射角的曲线。
事实上，随着物质的折射率值的变化，SPR倾角也发生了变化，FWHM（半最大值全宽）值增加，导致检测精度下降。
图(a)显示了两层BlueP/MoS2异质结构和单层BP的反应，以及分析物R.I的变化。
当考虑到典型的SPR传感器中的蒸发场时，层的厚度对传感特性的影响是，如果层的数量增加，RI的值将增加，以及复数Ri（折射率的实部）项和k（折射率的虚部）项将增加。
因此最大的光将吸收，高穿透深度将出现在蒸发波中，但同时由于阻尼的增强，蒸发场将很早下降。
因此，首先SPR角会变宽，Rmin值会减少，所以FWHM很难计算。灵敏度随着BlueP/MoS2异质结构层的每一次增加而得到极大的提高。
随着BlueP/MoS2异质结构层数量的增加，灵敏度会明显提高，但由于FWHM参数的增加，灵敏度会达到一定的极限。
因此，与BlueP/MoS2异质结构层的增加有关的灵敏度和FWHM参数之间存在着一种权衡。
人们发现，在保持BlueP/MoS2异质结构层固定的情况下，灵敏度也随着BP层的增加而增强，而FWHM值也稳定。
显然，由于D.A.和灵敏度的影响，人们不能盲目地增加或减少BP和BlueP/MoS2异质结构层的数量。
此外，在分析物1.331到1.336的R.I.范围内，对不同的BP层和BlueP/MoS2异质结构层的数量进行了计算，以准确了解对所提出的SPR传感器设计参数的各种性能参数的影响。
下表显示了最终结构与传统结构和双金属结构在波长λ=662nm时的灵敏度比较，在分析物R.I.Δns=0.001的变化下，获得了214（°/RIU）的最高灵敏度。
然而，随着分析物R.I.范围从1.331到1.336 RIU的变化，Caf2 + Ag + BP + Ag + BlueP/MoS2异质结构的共振角ΔθSPR = 1.07°。
在这个分析中，首先在1.332 R.I.，只看到Ag层的SPR性能，同样地，加入单层的BP和BlueP/MoS2层的灵敏度计算。
下图显示了与最近的一些论文工作和拟议工作的灵敏度比较。
经调查，在分析物折射率Δns≈0.007的小变化下，通过所提出的配置，灵敏度提高到471.42°/RIU。
下图显示了所提出的SPR传感器的性能参数，在9层BP时，FWHM达到4.45°，灵敏度458°/RIU，D.A. = 0.22472，F.O.M. 102.9 RIU-1。
在第09层（9 x 0.65纳米厚度）之后，由于不符合SPR条件，蒸发锉的渗透深度下降到外部介质，因此在拟议的SPR传感器中，第09层之后灵敏度会下降。
-＜制造前景＞-
拟议的传感芯片是在高折射率玻璃制成的多层结构上用不同的沉积材料开发的。银层将通过电子束沉积机沉积在棱镜或玻璃基底之上。
然后，使用指数匹配凝胶将SPR芯片粘在棱镜的平坦面。在沉积完Ag层后，其他材料将被逐层沉积。
在传感芯片的顶部，传感分析物被移到流动池中。
光线可以在棱镜的一侧发射，另一侧的反射光可以通过分光光度计收集，分光光度计在ASPIRE-SPECTRA-21软件的帮助下与PC/笔记本电脑连接，可以获得吸光度、反射率和透射率光谱。
鉴于所有这些选择和材料技术的现状，我们乐观地认为，建议用于测试的SPR传感器可以在现实生活中使用。
棱镜需要放在分光光度计的光源和检测器之间。分光光度计有两个光源：白光（卤钨灯）和LED光（波长范围200-1100纳米）。
之后，需要在暗室中设置一个参考值，这样就可以在自然光下进行实验室环境。
在得到周围环境的参考值后，利用棱镜一侧的LED光源，让光线穿过棱镜必须落在棱镜的顶部，即传感材料的位置。
在涂层过程中，我们可以使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）从横截面上观察玻璃基板上的沉积层，这样做是为了确保按照要求的层厚度正确沉积。
-＜结论＞-
我们建议将BlueP/MoS2异质结构用于基于SPR的传感器中。
与传统的SPR传感器方案和基于石墨烯的SPR传感器方案相比，事实证明，采用这种结构的拟议系统将获得更高的灵敏度。
当使用9层BP（黑磷）异质结构和单层BlueP/MoS2异质结构时，可获得最大的灵敏度。
此外，识别精度也在合理范围内。我们通过考虑波长和不同的BP和异质结构层的累积效应分析了传感器的性能。
由于所提出的方案极为敏感，它可以成为基于石墨烯的SPR传感器的竞争者。
