一种利用局域等离激元结构提高光热激发微悬臂梁振动能量转换效率的方法 |
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| 申请号 | CN201710178516.9 | 申请日 | 2017-03-23 | 公开(公告)号 | CN106949914A | 公开(公告)日 | 2017-07-14 |
| 申请人 | 山东大学; | 发明人 | 刘铎; 高乃坤; 赵东方; 贾冉; 颜为山; 张玲; 张冬冬; 罗雯耀; | ||||
| 摘要 | 一种利用局域等离激元结构提高光热激发微 悬臂梁 振动 能量 转换效率的方法，包括：在所述 微悬臂梁 上制备局域等离激元结构、采集因光激励微悬臂梁振动所发出的振动 信号 。金属纳米颗粒将吸收的光能转化为 电子 谐振的 动能 ，继而通过晶格对电子的散射把这一能量转化为晶格的振动能。金纳米颗粒也可使微悬臂梁的有效 质量 增加从而可以提高其品质子，这可以有效提高微悬臂梁 传感器 的探测 精度 和 分辨率 。另外，结合了等离激元的微悬臂梁也可以作为一个性能优良的光功率计， 检测限 可达pm/nW。本 发明 有效解决了 光激发 微悬臂梁振动效率低的问题，且简洁方便，对基于光激发微悬臂梁振动的发展及应用具有重要的实用价值。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种利用局域等离激元结构提高光热激发微悬臂梁振动能量转换效率的方法，其特征在于，该方法包括：在所述微悬臂梁上制备局域等离激元结构、采集因光激励微悬臂梁振动所发出的振动信号。 |
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| 说明书全文 | 一种利用局域等离激元结构提高光热激发微悬臂梁振动能量转换效率的方法 技术领域背景技术[0002] 微悬臂梁传感器因对微小信号具有检测灵敏度高的特点而在生物、化学、力学、质量等检测领域得到了广泛的应用。高性能微悬臂梁传感器应用的前提条件在于对微悬臂梁的有效激励。到目前为止，已经研发了各种激发方法。其中，光热激发由于具有远程非接触的特点而在高速、高分辨率和定量分析中应用广泛，特别是在其它技术不容易应用的液体或恶劣环境。然而，光热激发的激发效率较低。输入光功率必须足够高才可以有效地激励微悬臂梁振动，过高的激光功率有可能导致机械非线性，频移，甚至光学损伤。为了有效激发微悬臂梁振动，通常需要在其表面镀一层金属以利用两层材料的热膨胀系数差产生振动。但是这种能量转换效率的增幅有限，且降低了悬臂梁的品质因子，使其探测灵敏度降低。 [0003] 等离子体是金属表面自由电子随入射光子同频率集体振荡产生的一种表面束缚的电磁波，等离子体纳米结构具有丰富光学性质。金属纳米颗粒将吸收的光能转化为电子谐振的动能，继而通过晶格对电子的散射把这一能量转化为晶格的振动能。金属纳米颗粒将吸收的光能转化为电子谐振的动能，继而通过晶格对电子的散射把这一能量转化为晶格的振动能。晶格振动的热能可以进一步传递到微悬臂梁，从而升高微悬臂梁的表面温度，有利于热梯度机制和双层膜机制更加有效地激励微悬臂梁振动。金纳米颗粒的存在也可使微悬臂梁的有效质量增加从而可以提高其品质子，这可以有效提高微悬臂梁传感器的探测精度和分辨率。本发明有效解决了光激发微悬臂梁振动效率低的问题，且简洁方便，对基于光激发微悬臂梁振动的发展及应用具有重要的实用价值。 发明内容[0004] 针对现有技术的不足，本发明提出了一种利用局域等离激元结构提高光热激发微悬臂梁振动能量转换效率的方法。 [0005] 本发明的技术方案如下： [0006] 一种利用局域等离激元结构提高光热激发微悬臂梁振动能量转换效率的方法，包括：在所述微悬臂梁上制备局域等离激元结构、采集因光激励微悬臂梁振动所发出的振动信号。 [0008] 根据本发明优选的，所述的金属膜为金膜；所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒。 [0009] 根据本发明优选的，所述对微悬臂梁在真空中溅射金膜的具体方法为：利用真空溅射仪对微悬臂梁在真空中溅射金膜，真空度设置为10mbar，电流为10mA，溅射时间为30-240s。优选的，所述溅射时间分别为30s，60s，90s，120s，240s。 [0010] 根据本发明优选的，在在氮气氛围对所述微悬臂梁进行退火处理的方法为，退火温度为500℃。升温速率为10℃/min，500℃下恒温1小时，最后自动降温。 [0011] 根据本发明优选的，采集因光激励微悬臂梁振动所发出的振动信号的步骤如下： [0012] 所述光激励对应的光波长为：使所述等离激元产生共振的光波长。 [0013] 根据本发明优选的，所述光激励对应的光波长为：365-940nm。优选的，所述光激励对应的光波长为：523nm。 [0014] 根据本发明优选的，所述光激励是利用发光二极管对具有局域等离激元结构的微悬臂梁进行照射，热梯度效应和双层膜效应共同作用激励其振动：利用锁相放大器内部单参考模式输出的正弦振荡信号驱动发光二极管闪烁，发光二极管发光中心波长为365-940nm；优选的，所述发光二极管发光中心波长分别为365nm，385nm,425nm，460nm,523nm, 620nm，850nm,940nm。其闪烁频率与锁相放大器内部锁定频率相同。 [0015] 发光二极管发光脉冲与微悬臂梁相互作用，对于空白微悬臂梁，表面受光辐射会在厚度方向产生温度梯度，不同的温度会使其膨胀度不同，从而导致其弯曲。在调制光激励下便可产生振动(热梯度效应)，对于镀膜微悬臂梁，由于悬臂梁和膜的热膨胀系数不同，受光辐射产生的膨胀度也不同，从而使梁产生弯曲，在调制光激励下可产生振动。双层膜效应激励其振动(双层膜效应)；悬臂梁长350微米，宽35微米，厚1微米。 [0016] 根据本发明优选的，利用激光测振仪采集微悬臂梁的振动信号。所述激光测振仪是利用激光的多普勒效应对运动物体的位移和速度进行探测的仪器：当测振仪激光探头发出的激光照射到运动物体上时，需对其聚焦到微悬臂梁表面，聚焦斑点大约为10微米，当微悬臂梁朝向激光探头运动，其反射回的激光会比入射激光具有更短的波长，即发生蓝移；当微悬臂梁背向激光探头运动，其反射回的激光会比入射激光具有更长的波长，即发生红移。通过测量反射光的波长以及相对于入射光的相位，即可计算出微悬臂梁振动的位移量和速度值，并将其转化为电压信号。 [0017] 根据本发明优选的，所述采集振动信号后，将采集到的振动信号通过锁相放大器，经放大和带通滤波后与参考信号共同输入混频器得到的结果，再通过低通滤波器滤波后得到其振动信号的频域响应，其中，所述参考信号锁定为锁相放大器内部输出的正弦信号。 [0018] 本发明的优势在于： [0019] 1.本发明为一种激励微悬臂梁振动的远程非接触技术，相对与电容式激发和压电式激发等短程激发，极大的拓展了其应用范围。 [0020] 2.本发明在保留有激光作为一种远程非接触激发技术的前提下，提高了光能-机械能能量转换效率，可以更有效的激发微悬臂梁振动。 [0021] 3.本发明采用发光二极管激励微悬臂梁振荡，相较于普通的激光激励，具有性价比高，使用寿命长，低热量，环保，体积小且易于实现的特点，在降低操作方法复杂度的同时，增大了实验精度。 [0022] 4.本发明采用发光二极管激励微悬臂梁振荡，调制频率可高达GHz，远远大于利用外部调制功能的激光器或斩波器调制激光脉冲激励微悬臂梁，可以激励出更高阶共振，高阶共振对于提高微悬臂梁探测器及传感器的分辨率有着极大的意义。 [0023] 5.本发明所用在微悬臂梁表面制造的金属纳米颗粒可以有效的提高微悬臂梁的品质因子，使各种微悬臂梁传感器的分辨率得到提高。 [0024] 6.本发明所述方法的通用性好。可以将本发明所涉及的矩形微悬臂梁换成其它形式的微悬臂梁或微机电结构，基于上述激发方法，实现不同微机电结构的有效光激发。 [0025] 7.本发明所述的方法应用广泛。作为一种远程非接触激发微悬臂梁振动，本发明可以广泛应用于各种探测领域，实现对微弱信号的高精度，高速度的实时检测。 [0027] 图1是空白微悬臂梁表面的扫描电镜图像； [0028] 图2是在微悬臂梁表面溅射金属膜后的扫描电镜图像； [0029] 图3是表面为金属纳米颗粒的微悬臂梁的扫描电镜图像； [0030] 图4展示了空白微悬臂梁、溅射有金属膜的微悬臂梁和表面为金属纳米颗粒的微悬臂梁的反射谱图； [0031] 图5是本发明中所述利用发光二极管激励微悬臂梁振动，并用激光测振仪探测振动信号的示意图； [0032] 在图5中：1、激光测振仪中多普勒测振仪探头；2、金属纳米颗粒；3、微悬臂梁；4、发光二极管； [0033] 图6是微悬臂梁在不同波长发光二极管激发下的共振频率处的振幅； [0034] 图7是空白微悬臂梁、镀金膜微悬臂梁、金属纳米颗粒微悬臂梁振动幅度响应图； [0035] 图8是空白微悬臂梁受光激发振动机制图； [0036] 图9是镀金膜微悬臂梁受光激发振动机制图； [0037] 图10是金属纳米颗粒微悬臂梁受光激发振动机制图； [0038] 图11是微悬臂梁表面在构造不同尺寸金属纳米颗粒下的振幅相对于空白微悬臂梁振幅的增加图； [0039] 图12是金属纳米颗粒微悬臂梁相对于空白微悬臂梁的频率与品质因子变化图。 具体实施方式[0041] 实施例1、 [0042] 一种利用局域等离激元结构提高光热激发微悬臂梁振动能量转换效率的方法，包括：在所述微悬臂梁上制备局域等离激元结构、采集因光激励微悬臂梁振动所发出的振动信号。 [0043] 实施例2、 [0044] 如实施例1所述的一种利用局域等离激元结构提高光热激发微悬臂梁振动能量转换效率的方法，其区别在于，在所述微悬臂梁上制备局域等离激元结构的方法包括：对微悬臂梁在真空中溅射金属膜、然后在氮气氛围对所述微悬臂梁进行退火处理：在微悬臂梁表面形成金属纳米颗粒。 [0045] 所述光激励对应的光波长为：使所述等离激元产生共振的光波长。 [0046] 所述光激励对应的光波长为：365-940nm。 [0047] 实施例3、 [0048] 如实施例2所述的一种利用局域等离激元结构提高光热激发微悬臂梁振动能量转换效率的方法，其区别在于，所述的金属膜为金膜；所述金属纳米颗粒为金纳米颗粒。所述光激励对应的光波长为：523nm。 [0049] 实施例4、 [0050] 如实施例3所述的一种利用局域等离激元结构提高光热激发微悬臂梁振动能量转换效率的方法，其区别在于，所述对微悬臂梁在真空中溅射金膜的具体方法为：利用真空溅射仪对微悬臂梁在真空中溅射金膜，真空度设置为10mbar，电流为10mA，溅射时间为30-240s。优选的，所述溅射时间分别为30s，60s，90s，120s，240s。 [0051] 在在氮气氛围对所述微悬臂梁进行退火处理的方法为，退火温度为500℃。升温速率为10℃/min，500℃下恒温1小时，最后自动降温。 [0052] 在微悬臂梁表面所形成的金纳米颗粒如图1-3所示，微悬臂梁表面经过溅射金膜并退火后形成了稳定的金纳米颗粒。反射谱如图4所显示微悬臂梁在534nm附近具有一反射峰，这可归因于金纳米颗粒的局部表面等离子体共振(LSPR)，传导电子在入射光波的作用下，产生集体共振。 [0053] 实施例5、 [0054] 如实施例1-4所述的一种利用局域等离激元结构提高光热激发微悬臂梁振动能量转换效率的方法，其区别在于，所述光激励是利用发光二极管对具有局域等离激元结构的微悬臂梁进行照射，热梯度效应和双层膜效应共同作用激励其振动：利用锁相放大器内部单参考模式输出的正弦振荡信号驱动发光二极管闪烁，发光二极管发光中心波长为365-940nm；优选的，所述发光二极管发光中心波长分别为365nm，385nm,425nm，460nm,523nm, 620nm，850nm,940nm。其闪烁频率与锁相放大器内部锁定频率相同。 [0055] 发光二极管发光脉冲与微悬臂梁相互作用，对于空白微悬臂梁，表面受光辐射会在厚度方向产生温度梯度，不同的温度会使其膨胀度不同，从而导致其弯曲。在调制光激励下便可产生振动(热梯度效应)，对于镀膜微悬臂梁，由于悬臂梁和膜的热膨胀系数不同，受光辐射产生的膨胀度也不同，从而使梁产生弯曲，在调制光激励下可产生振动。双层膜效应激励其振动(双层膜效应)；悬臂梁长350微米，宽35微米，厚1微米。 [0056] 实施例6、 [0057] 如实施例1所述的一种利用局域等离激元结构提高光热激发微悬臂梁振动能量转换效率的方法，其区别在于，利用激光测振仪采集微悬臂梁的振动信号。所述激光测振仪是利用激光的多普勒效应对运动物体的位移和速度进行探测的仪器：当测振仪激光探头发出的激光照射到运动物体上时，需对其聚焦到微悬臂梁表面，聚焦斑点大约为10微米，当微悬臂梁朝向激光探头运动，其反射回的激光会比入射激光具有更短的波长，即发生蓝移；当微悬臂梁背向激光探头运动，其反射回的激光会比入射激光具有更长的波长，即发生红移。通过测量反射光的波长以及相对于入射光的相位，即可计算出微悬臂梁振动的位移量和速度值，并将其转化为电压信号。 [0058] 实施例7、 [0059] 如实施例6所述的一种利用局域等离激元结构提高光热激发微悬臂梁振动能量转换效率的方法，其区别在于，所述采集振动信号后，将采集到的振动信号通过锁相放大器，经放大和带通滤波后与参考信号共同输入混频器得到的结果，再通过低通滤波器滤波后得到其振动信号的频域响应，其中，所述参考信号锁定为锁相放大器内部输出的正弦信号。发光二极管对微悬臂梁进行频率照射，所述微悬臂梁产生频率振动信号，所述振动信号由多普勒测振仪采集后通过锁相放大器得到：当锁相放大器进行频率扫描时，即得到微悬臂梁的振动频域响应，得到所述微悬臂梁各阶振动幅度和品质因子。 [0060] 应用例、 [0061] 如实施例1-7所述的一种利用局域等离激元结构提高光热激发微悬臂梁振动能量转换效率的方法，结合如图1-图12进一步说明： [0062] 1)首先利用真空溅射仪对微悬臂梁在真空中溅射金膜，真空度设置为10mbar，电流为10mA，溅射时间分别为30s，60s，90s，120s，240s；所得到的在表面镀有金膜的微悬臂梁在退火炉中进行退火，退火氛围氮气，退火温度为500℃，升温速率为10℃/min，500℃下恒温1小时，最后自动降温便可得到表面镀有金属纳米颗粒的微悬臂梁。对其进行扫描电镜和反射谱分析，观察是否得到了局域等离激元结构，如图3所示。 [0063] 2)多普勒测振仪探头激光聚焦：由激光测振仪探头发出的633nm的光通过显微物镜聚焦到微悬臂梁表面，聚焦光斑为10μm，聚焦效果通过光学显微镜探测得到，其中调节聚焦效果的方法为通过三维螺旋测微仪移动微悬臂梁的空间位置； [0064] 3)振动信号的采集、处理：由激光测振仪得到的振动信号经过多普勒测振仪控制器转化为电压信号。其后通过锁相放大器，经放大和带通滤波后与参考信号共同输入混频器，再通过低通滤波器滤波后，通过计算机读出； [0065] 4)利用不同波长的发光二极管激励微悬臂梁振动，如图6所示，微悬臂梁在523nm波长的发光二极管激励下其振幅最大，说明局域等离激元共振确实提高了光能-机械能的能量转换效率。 [0066] 5)利用波长为523nm的发光二极管(35mW)分别激励空白微悬臂梁、镀金膜微悬臂梁、金属纳米颗粒微悬臂梁。观察各个微悬臂梁的振幅响应，如图7所示，表面构造有金属纳米颗粒的微悬臂梁振幅最大，说明局域等离激元结构确实提高了其光能-机械能的能量转换效率。这是因为Au NPs可以更加有效把光能转换为热能，从而使激发微悬臂梁振动的热梯度效应和双层膜效应更加有效。 [0067] 6)利用波长为523nm的发光二极管分别激励表面构造有不同尺寸纳米颗粒的微悬臂梁振动，并观察其振幅响应，如图11所示。发现金属纳米颗粒直径在25.23nm尺度下，振幅增加具有最优值。这是由于在此尺寸下，一群金属粒子的局域等离激元共振强度可以达到最大化。 [0068] 7)利用波长为523nm的发光二极管分别激励表面构造有不同尺寸纳米颗粒的微悬臂梁振动，并观察其频域响应，并利用频域响应计算不同尺寸纳米颗粒下的微悬臂梁的共振频率和品质因子，如图12所示，发现随着镀金时间的增加，微悬臂梁的共振频率减小，品质因子增加。这是由于随着镀金时间的加长，悬臂梁的有效质量增加导致的，其品质因子的增加可以有效提高微悬臂梁传感器的分辨率。 |
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