基于红外-可见光图像融合的高精度稳健电子封装缺陷检测方法

为解决无标记生物传感中灵敏度不足的问题，研究人员开展了一维光子晶体(1D PhC)几何结构与涂层优化的研究，通过系统分析周期、凹槽深度及形状（矩形/梯形/金字塔形）对传输光谱共振波长位移的影响，发现320 nm周期和160 nm深度的金字塔形结构在30 nm Al2O3模拟生物膜层沉积时产生18 nm波长位移，灵敏度达180 nm/RIU，为高性价比生物传感器设计提供新范式。

　　

在生物医学检测领域，无标记传感技术因其无需荧光标记或放射性示踪剂而备受关注，它通过直接检测目标分子结合引起的质量或折射率(Refractive Index, RI)变化来实现实时监测，不仅简化了实验流程，还显著降低了成本。然而，现有传感器在灵敏度、稳定性和制备成本之间往往难以兼顾，特别是传统二维光子晶体(2D Photonic Crystal, PhC)虽然性能优异，但制备工艺复杂且成本高昂。因此，开发一种兼具高灵敏度、易于制备和一维结构简单性的新型传感器成为研究热点。

在这项发表于《Optics》的研究中，Mehdi Raji等人系统探讨了一维光子晶体(1D PhC)的几何形状和涂层参数如何影响其光学响应，旨在优化无标记生物传感性能。研究人员采用数值模拟与实验验证相结合的方法，通过有限时域差分法(Finite Difference Time Domain, FDTD)模拟不同结构参数下的传输光谱，并结合电子束光刻(Electron-Beam Lithography, EBL)、反应离子蚀刻(Reactive Ion Etching, RIE)和原子层沉积(Atomic Layer Deposition, ALD)技术制备样品，使用光谱仪测量实际光学响应。研究聚焦于以熔融石英为基底、二氧化钛(TiO₂)为高折射率涂层的1D PhC结构，通过沉积氧化铝(Al₂O₃)薄层模拟生物膜形成，评估传感器灵敏度。

形状优化提升场局限与灵敏度

通过对比矩形、梯形和金字塔形凹槽结构，研究发现金字塔形设计能打破垂直对称性，增强光与分析物的相互作用。模拟显示，金字塔形结构的电场强度在近表面区域（红色区域）显著增加，共振品质因子(Q-factor)达到16.32，远高于矩形(5.34)和梯形(8.30)，表明其具有更强的场局限能力和更高的表面灵敏度。实验验证中，金字塔形结构在Al₂O₃沉积后表现出最大的共振波长位移。

周期与深度参数决定共振行为

参数扫描表明，周期为320 nm时，传感器产生最明显的传输极小值和波长位移（18 nm），而凹槽深度为160 nm（即周期的一半）时，光局限效果最优，灵敏度最高。这一结果与导模共振(Guided-Mode Resonance, GMR)机制一致，周期和深度的协同作用确保了高效的光耦合和表面重叠。

涂层分布影响较小但工艺关键

分析TiO₂侧壁厚度（0-30 nm）发现，其对共振波长的影响不足1.5 nm，远小于顶部和底部涂层的重要性。然而，原子层沉积(ALD)技术能确保涂层的均匀性和 conformality（保形性），这对于稳定光学响应和精确控制折射率环境至关重要，而溅射镀膜可作为实现高Q因子的替代方案。

实验验证与性能基准

制备的梯形结构（周期320 nm，深度160 nm）在实验中显示出18 nm波长位移，灵敏度为180 nm/RIU，Q因子为62.5。虽然低于某些2D PhC设计（灵敏度>300 nm/RIU，Q因子>10³），但该结构基于可扩展的CMOS兼容工艺，平衡了性能与制造成本。检测限(Limit of Detection, LOD)估计为5×10^?3 RIU，满足实际生物传感需求。

研究结论强调，通过系统优化1D PhC的几何形状和涂层参数，可以显著增强无标记生物传感器的性能。金字塔形结构和高折射率涂层（如TiO₂)的协同作用，提高了电场局限性和表面灵敏度，而原子层沉积(ALD)技术确保了涂层的均匀性和稳定性。这项工作不仅提供了一种针对几何优化的设计框架，还为开发低成本、高灵敏度的生物传感器奠定了基础，未来可扩展至二维或多层结构，推动光子晶体在疾病诊断、环境监测等领域的应用。