CN108072631A - 基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器及其制作方法 - Google Patents

基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器及其制作方法，该折射率传感器包括一Y型光纤环形器，其具有三个端口，分别为输入端、传感端和输出端；以及一设置在所述前述传感端的二氧化硅表面之上的石墨烯七聚体，该石墨烯七聚体可产生高品质的法诺共振。本发明的基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器结构紧凑，能够将法诺共振用于实际的折射率传感装置，并且具有极高的灵敏度，法诺共振的随折射率的变化高达1720nm/RIU。

Description

基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器及其制作方法
技术领域
本发明属于等离激元学(plasmonics)在传感领域的应用，特指一种基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着微加工和化学制备技术不断的进步，等离激元光学得到了迅猛的发展。表面等离激元能使汇聚在纳米结构周围的电场强度远大于入射光的电场，从而使电磁场能被束缚在比光波长小得多的纳米结构当中，突破了衍射极限。基于这个特性，表面等离激元在化学、生物、光学等传感领域有着广泛的应用潜力。
法诺共振是一种基于纳米结构表面等离激元共振的独特现象。法诺共振的产生是由于宽频超辐射亮模式和窄频低辐射暗模式之间的相互作用的结果(J.A.Fan,C.Wu,K.Bao,J.Bao,R.Bardhan,N.J.Halas,V.N.Manoharan,P.Nordlander,G.Shvets,andF.Capasso.Self-AssembledPlasmonicNanoparticle Clusters[J].Science,2010,328(5982):1135-8)。法诺共振能够在金属多聚体结构中产生，同时对周围环境折射率的变化具有极高的敏感度。根据这一特性，基于金属纳米结构的法诺共振已经应用于高灵敏度纳米折射率传感器领域(J.A.Fan,K.Bao,C.Wu,J.Bao,R.Bardhan,N.J.Halas,V.N.Manoharan,G.Shvets,P.Nordlander,and F.Capasso.Fano-Like Interference inSelf-Assembled Plasmonic Quadrumer Clusters[J].Nano Lett,2010,10(11):4680-5)。然而金属纳米结构的欧姆损耗太大和不可调节性等缺点阻碍了法诺共振线性的优化，其高灵敏度也受到了限制。此外，基于法诺共振的高灵敏度传感器多处于理论研究阶段，目前并没有具体的应用装置的结构以实现高灵敏度的折射率传感。
因此，本发明人利用石墨烯七聚体和Y型光纤环形器构建出一个可行的基于法诺共振的折射率传感器。
发明内容
本发明的技术目的在于提出一种基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器及其制作方法，该折射率传感器对外界环境折射率变化具有高灵敏度传感的功能。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器，包括：
一Y型光纤环形器，其具有三个端口，分别为输入端、传感端和输出端；以及
一设置在所述前述传感端的二氧化硅表面之上的石墨烯七聚体，该石墨烯七聚体可产生高品质的法诺共振。
优选的，前述石墨烯七聚体由一个中心纳米盘以及六个围绕在中心纳米盘周围的边缘纳米盘组成，所述六个边缘纳米盘等间距分布，且所述中心纳米盘半径为70nm，边缘纳米盘的半径为50nm，边缘纳米盘与所述中心纳米盘的间距为10nm。
进一步的，所有前速的纳米盘厚度均为0.334nm。
进一步的，前述边缘纳米盘的化学势为0.5eV，中心纳米盘的化学势为0.55eV。
制作上述基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器的方法，包括以下步骤：
步骤一、制备石墨烯七聚体
根据等离激元子和石墨烯材料的光电特性，构建出可产生高品质的法诺共振的石墨烯七聚体结构；
步骤二、传感器成型
所述步骤二，取三个端口分别为输入端、传感端和输出端的Y型光纤环形器，将步骤一制得的石墨烯七聚体放入Y型光纤环形器传感端的二氧化硅表面之上；
步骤三、模拟仿真折射率传感器的传感结果
将步骤一制得的石墨烯七聚体放置在任意的二氧化硅衬底表面，得到步骤二所述传感器的仿真模型，将光线从石墨烯七聚体下方的二氧化硅衬底垂直射入，计算仿真模型处于不同环境是的消光光谱，得到前述传感器对外界折射率变化的灵敏程度。
所述步骤一具体为：通过计算石墨烯结构的消光光谱，调整中心纳米盘和边缘纳米盘的半径、厚度和化学势，以及确定边缘纳米盘与中心纳米盘的间距，从而得到高品质的法诺共振；
计算完毕后，取石墨烯材料根据前述的半径、厚度、化学势和间距参数构建一中心纳米盘和围绕在中心纳米盘周围的边缘纳米盘，制得石墨烯七聚体。
所述消光光谱计算包括：
消光截面σext的计算，公式为σext＝σsc+σabs，其中σsc为散射截面，σabs为吸收截面，σsc的计算公式为：
其中I0为入射强度，为指向外的法向量，为电磁能量强度的散射强度，在石墨烯紧邻表面进行积分，σabs的计算公式为：
其中I0为入射强度，P为功率损耗强度，在紧邻石墨烯结构的空间进行积分。
与现有技术相比，本发明有益效果为：本发明结构紧凑，能够将法诺共振用于实际的折射率传感装置，并且具有极高的灵敏度，法诺共振的随折射率的变化高达1720nm/RIU。
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
附图说明
图1是本发明石墨烯七聚体结构图；
图2是本发明Y型光纤环形器示意图；
图3是本发明基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器示意图；
图4是本发明的仿真模型示意图；
图5是消光光谱随折射率变化的仿真结果图；
图6是本发明传感器对折射率灵敏度的计算结果图。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明揭示的基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器，包括：
一Y型光纤环形器1，如图2所示，其具有三个端口，分别为输入端11、传感端12和输出端13；以及
一设置在所述前述传感端的二氧化硅表面之上的石墨烯七聚体2，该石墨烯七聚体2可产生高品质的法诺共振，法诺共振的品质因子Q的计算公式为Q＝f0/δf，其中f0为法诺低谷出现的位置，δf为法诺共振的半峰全宽。由于法诺共振的不对称性，δf通常用从法诺共振低谷到高频率峰值间的频率差表示，所设计的石墨烯七聚体结构产生的法诺共振的品质因子在空气环境中可达到165。如图1所示，该石墨烯七聚体2具体由一个中心纳米盘21以及六个围绕在中心纳米盘周围的边缘纳米盘22组成，所述六个边缘纳米盘22等间距分布，且所述中心纳米盘21半径R2为70nm，边缘纳米盘22的半径R1为50nm，边缘纳米盘22与所述中心纳米盘21的间距为10nm。
进一步的，所有前速的纳米盘厚度均为0.334nm。
进一步的，前述边缘纳米盘22的化学势μc1为0.5eV，中心纳米盘21的化学势μc2为0.55eV，本发明并非对中心纳米盘21和边缘纳米盘22的化学势限定于此，石墨烯七聚体2所产生的法诺共振具有高品质，但是其可通过改变石墨烯纳米盘的化学势进行进一步调节。
本发明还揭示了制作上述基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器的方法，包括以下步骤：
步骤一、制备石墨烯七聚体
根据等离激元子和石墨烯材料的光电特性，构建出可产生高品质的法诺共振的石墨烯七聚体结构；跟据等离激元分子的性质，当中心纳米盘21和边缘纳米盘22支持的偶极振荡可以相互抵消时，才能出现明显的法诺共振现象，根据石墨烯的特性，可通过改变石墨烯的化学势从而改变其电磁特性，因此于本例，石墨烯七聚体构建过程具体为：通过计算石墨烯结构的消光光谱，确定中心纳米盘21和边缘纳米盘22的半径(R1＝50nm，R2＝70nm)、厚度(0.334nm)和化学势(μc1＝0.5eV，μc2＝0.55eV)，以及确定边缘纳米盘22与中心纳米盘21的间距(L＝10nm)；
消光光谱计算包括：
消光截面σext的计算，公式为σext＝σsc+σabs，其中σsc为散射截面，σabs为吸收截面，σsc的计算公式为：
其中I0为入射强度，为指向外的法向量，为电磁能量强度的散射强度，在石墨烯紧邻表面进行积分，σabs的计算公式为：
其中I0为入射强度，P为功率损耗强度，在紧邻石墨烯结构的空间进行积分；
取石墨烯材料，根据前述的半径、厚度、化学势和间距参数构建一中心纳米盘21和围绕在中心纳米盘21周围的边缘纳米盘22，制得石墨烯七聚体2；石墨烯七聚体2具有D6h对称结构，设计的石墨烯七聚体结构如图1所示。此结构可用于高灵敏度的折射率传感端的制作；
步骤二、传感器成型
所述步骤二，取三个端口分别为输入端、传感端和输出端的Y型光纤环形器，将步骤一制得的石墨烯七聚体放入Y型光纤环形器传感端的二氧化硅表面之上；在保证石墨烯七聚体可完整制备在光纤端口处的情况下，根据工作环境的实际情况选择Y型光纤环形器的光纤规格；
Y型光纤环形器的工作原理是法拉第旋光器，光纤环形器支持双向端口，并允许在一根光纤上进行光信号的发射与接收。由于Y型光纤环形器的光传输特性，Y型光纤环形器在DWDM网络、偏振模色散、色散补偿、光分插复用器(OADM)、光放大器和光纤感测器等领域有着广泛的应用。Y型光纤环形器的工作原理如图2所示，当输入信号由一个端口输入时，输出端口会在另一个特定端口输出。图2所示的Y型光纤环形器2的信号传输的方向为:由1端到2端，由2端到3端，再由3端到1端顺序环行。将石墨烯七聚体2制备于Y型光纤环形器1的一个端口的二氧化硅表面之上，作为传感端12，另外两个端口分别作为入射光入射的输入端11和接收数据的输出端13。所构建的折射率传感器如图3所示。1端口为输入端11，2端口为传感端12，3端口为输出端13，所处于的外界环境的折射率为n1。上述折射率传感器的工作原理为：将传感端12放入未知折射率环境中，在输入端11输入4.8至5.3微米波长的中红外线偏振光，由于Y型光纤环形器1的定向传输性质，光线会传输到传感端12，并且输出端13会接受到未被石墨烯七聚体1吸收和散射的光线。
步骤三、模拟仿真折射率传感器的传感结果
为了测试上述传感器的灵敏程度，本步骤利用仿真模型来测试，将步骤一制得的石墨烯七聚体2放置在任意的二氧化硅衬底3表面，得到步骤二所述传感器的仿真模型，将光线从石墨烯七聚体2下方的二氧化硅衬3底垂直射入，如图4所示，入射光方向为z方向，偏振方向为y方向，从而保证仿真模型与步骤2所述传感器一致。计算仿真模型处于不同环境是的消光光谱，得到前述传感器对外界折射率变化的灵敏程度，结果如图5所示，两个峰值之间的最小值即为由法诺共振产生的法诺低谷。从图5中可清晰看出，当周围环境的折射率逐渐增大时，法诺低谷位置会出现明显红移。由于石墨烯七聚体的高度对称性，改变入射光的偏振方向对计算结果并没有显著的影响。利用此性质可对外界环境的折射率进行传感。所设计传感器对外界环境折射率变化的灵敏度如图6所示。法诺共振的随折射率的变化高达1720nm/RIU，已高于绝大部分由金属构成的基于法诺共振的折射率传感器。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器，其特征在于，包括：
一Y型光纤环形器，其具有三个端口，分别为输入端、传感端和输出端；以及
一设置在所述前述传感端的二氧化硅表面之上的石墨烯七聚体，该石墨烯七聚体可产生高品质的法诺共振。
2.如权利要求1所述的基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器，其特征在于：前述石墨烯七聚体由一个中心纳米盘以及六个围绕在中心纳米盘周围的边缘纳米盘组成，所述六个边缘纳米盘等间距分布，且所述中心纳米盘半径为70nm，边缘纳米盘的半径为50nm，边缘纳米盘与所述中心纳米盘的间距为10nm。
3.如权利要求2所述的基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器，其特征在于：所有前速的纳米盘厚度均为0.334nm。
4.如权利要求2所述的基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器，其特征在于：前述边缘纳米盘的化学势为0.5eV，中心纳米盘的化学势为0.55eV。
5.制作如权利要求1所述的基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、制备石墨烯七聚体
根据等离激元子和石墨烯材料的光电特性，构建出可产生高品质的法诺共振的石墨烯七聚体结构；
步骤二、传感器成型
所述步骤二，取三个端口分别为输入端、传感端和输出端的Y型光纤环形器，将步骤一制得的石墨烯七聚体放入Y型光纤环形器传感端的二氧化硅表面之上；
步骤三、模拟仿真折射率传感器的传感结果
将步骤一制得的石墨烯七聚体放置在任意的二氧化硅衬底表面，得到步骤二所述传感器的仿真模型，将光线从石墨烯七聚体下方的二氧化硅衬底垂直射入，计算仿真模型处于不同环境是的消光光谱，得到前述传感器对外界折射率变化的灵敏程度。
6.如权利要求5所述的制作基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器的方法，其特征在于，所述步骤一具体为：所述步骤一具体为：通过计算石墨烯结构的消光光谱，调整中心纳米盘和边缘纳米盘的半径、厚度和化学势，以及确定边缘纳米盘与中心纳米盘的间距，从而得到高品质的法诺共振；
计算完毕后，取石墨烯材料根据前述的半径、厚度、化学势和间距参数构建一中心纳米盘和围绕在中心纳米盘周围的边缘纳米盘，制得石墨烯七聚体。
7.如权利要求6所述的制作基于石墨烯七聚体法诺共振的折射率传感器的方法，其特征在于，所述消光光谱计算包括：
消光截面σext的计算，公式为σext＝σsc+σabs，其中σsc为散射截面，σabs为吸收截面，σsc的计算公式为：
其中I0为入射强度，为指向外的法向量，为电磁能量强度的散射强度，在石墨烯紧邻表面进行积分，σabs的计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>b</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>I</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>&amp;Integral;</mo> <mo>&amp;Integral;</mo> <mo>&amp;Integral;</mo> <mi>P</mi> <mi>d</mi> <mi>V</mi> </mrow>
其中I0为入射强度，P为功率损耗强度，在紧邻石墨烯结构的空间进行积分。
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