12、一维光子晶体生物传感器设备用于癌细胞识别的设计与分析

一维光子晶体生物传感器设备用于癌细胞识别的设计与分析

1. 引言

许多技术创新都源于对自然的深入洞察。自然界中存在着大量周期性变化的例子，像蝴蝶的翅膀、手镯上的蛋白石、鸟类的羽毛等，它们具有规则的周期性排列，与光子晶体的特性相似，其颜色会随观察角度而改变，这主要是光与这些材料自然设计相互作用的结果。

1987年初，E. Yablonvitch和S. John对周期性多层结构的研究，点燃了研究人员利用光子学原理探索不同应用的热情。光子晶体的研究可分为一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）形式。其中，3D光子晶体面临制造可行性问题，目前仍在寻找有效的低损耗制造技术；2D光子晶体可通过蚀刻技术成功制造出三角形、正方形和蜂窝状结构，能设计成以空气为背景排列介电材料或在介电板上排列孔洞两种形式；基于缺陷的光子晶体在光子学研究领域引发了变革，可通过省略一系列气孔或改变气孔特性形成光子晶体波导（PCW），有效引导和捕获落在光子带隙（PBG）内的光信号。不过，1D光子晶体是研究最多的结构，因其易于制造、兼容性高且应用广泛。1D光子晶体具有PBG特性，能反射特定波长的光，限制其在多层结构中的传播，这一特性使其在激光、传感、滤波、光学镜、偏振器、通信和生物医学等领域有重要应用。要将光子晶体用作生物传感器，需在结构上进行改变以产生共振模式，最佳方法是插入缺陷。当输入波长与缺陷模式波长匹配时，光谱特性会出现离散尖峰，光会强烈集中在缺陷层附近，周围折射率的微小变化会导致缺陷模式位置显著改变。此外，1D光子晶体对温度波动的可靠性高、运行速度快且寿命长。

近十年来，研究人员探索了许多可与光子器件集成以提高性能的新型二维材料，石墨烯便是其中极具潜力的材料。它具有独特的晶格结构和出色的电子性能，如高导电性、低电