Research Express@NCKU - 第十卷 第四期   (回前頁)
利用高摻雜濃度矽開發中紅外範圍之表面電漿生醫及化學用感測器
國立成功大學工學院機械工程學系
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研究開發了一種利用表面電漿共振的中紅外線生醫及化學用感測器,關鍵在於利用高摻雜濃度的矽以調整材料的光學性質,並配合週期性的摻雜圖案,便能在中紅外光的範圍內激發表面電漿共振造成極低的反射率。一旦媒介中出現異物或濃度改變而影響此波段的光學性質時,低反射率所對應的波長或角度可以產生明顯的偏移,藉此可以即時察知物質變化。開發的感測器優點包括:對應的表面電漿波長可由摻雜結構及摻雜濃度,針對所要感測的物質調整目標波長;感測器本身平滑的表面也不會阻止流體的流動及生物反應;靈敏度亦高於目前已知的表面電漿感測系統。

圖一為不同摻雜濃度矽以及水在紅外光波段的光學常數,純矽的光學常數與一般介電材料無異,但隨著摻雜載子的濃度增加,光學常數與輻射性質漸漸趨近於金屬材料,並可於中紅外光範圍中以週期性結構的方式激發表面電漿。
圖一:純矽、水、高摻雜濃度矽的光學常數。

圖二為高濃度摻雜之矽在不同入射角度與工作介質中,入射光頻率與光波水平方向分量關係圖,利用此圖可以找出適當的週期結構針對所需要的工作環境與介質激發表面電漿於所需要的波長,藉由輻射性質的改變,感測到目標物質的濃度或含量變化。
圖二:半無窮矽基版在空氣與水中的入射光頻率與光波水平方向分量關係圖。

圖三是所開發之感測器配合其他光學裝置使用時的情形,其中紅外光源產生後經過極化器產生單方向偏振的紅外光入射在所開發之感測器表面,其反射能量由另外一個紅外光接收器紀錄。所開發的感測器內部的摻雜濃度具有週期性的輪廓,其週期可針對目標物質光學性質調整表面電漿激發的頻率,其高度及寬度則可作為最佳化的微調參數。在無目標物質的情形下,反射光的能量維持一定的長度,僅在特定波長下因激發表面電漿而趨近於零,一旦目標物質濃度改變,整個反射率頻譜都將會不同且激發表面電漿的頻率也會不同,這種反應非常即時且非接觸,加上適合中紅外光的生醫及化學目標物相當多種類,所以所開發的感測器應用範圍及感測方式相當廣泛。        
圖三:表面電漿感測系統之細部元件與實際操作

圖四是以圖二曲線為基礎做不同週期感測器的設計,並以此圖預測所開發之表面電漿感測器在不同入射及工作介質環境下的電漿激發頻率,其頻率取決於曲線與代表入射光之線的交界點所對應的頻率。因此,若改變結構週期以致於曲線在不同的波長產生偏折,跟代表入射光的線交界位置改變,所能激發表面電漿頻率自然改變。
圖四:不同週期結構在不同工作介質(空氣與水)的環境下預測激發表面電漿的頻率。

圖五是幾個所開發感測器激發表面電漿的例子,其中極低且趨近於零的反射率是激發表面電漿的情形,可以看到不同的目標波長都可以藉由調整感測器的摻雜輪廓及入射角度達到感測的效果,甚至最佳化。
圖五:不同感測器在空氣環境下激發不同頻率的表面電漿例子。

圖六是感測器應用於水中的一個範例,圖六(a)顯示了即使在實際製作時存在些許表面輪廓的誤差,感測器所針對的目標婆常並不會改變,這對於實際應用有很大的幫助與說服力,而圖六(b)針對真實物質硫酸氨水溶液為例,當純水變成重量百分濃度20%硫酸氨水溶液時,所開發的兩組感測器在不同的入射角度與摻雜輪廓下,皆能藉由表面電漿激發波長的偏移與反射率頻譜的改變,成功偵測硫酸氨的存在,以實際應用說明開發感測器的價值。
圖六:感測器在水中的應用(a)針對同一目標波長,高度與填充比例允許之誤差;(b)針對水中是否存在硫酸氨,兩組不同感測器反射率頻譜之變化。

圖七則是針對空氣與介質,假設因存在物質而改變其光學常數時,感測器的靈敏度敘述。即使尚未最佳化三個代表性感測器的靈敏度分別為4100, 17200, 900 nm/RIU,接近甚至遠超過目前已知表面電漿感測器於可見及近紅外光感測範圍。
圖七:三個感測器範例在不同操作環境下的靈敏度,以表面電漿激發頻率隨光學常數增減一定比例表示。