CN108507982A - 基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置及工作方法 - Google Patents

基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置及工作方法，其特征在于：基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置包括电控旋转平台和设在电控旋转平台上面的三棱柱形锗棱镜，所述三棱柱形锗棱镜第一侧面依次设有样品、石墨烯缓冲层、掺杂的石墨烯层和MgF2基底层；所述三棱柱形锗棱镜的另外两个侧面旁侧分别设有太赫兹发射器和太赫兹探测器，所述太赫兹发射器和太赫兹探测器与太赫兹信号处理系统连接。本发明基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置，该装置结构简单、操作方便、可靠性强。

Description

基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置及工作方法
技术领域：
本发明涉及太赫兹传感领域，特别是一种基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置及工作方法。
背景技术:
表面等离子体是由导电媒质和绝缘体媒质分界面处自由电子的集体震荡产生的。光子和表面等离子体之间的强耦合作用称为表面等离子体极化，它们之间的耦合作用将导致表面等离子体的共振（SPR）,并且对靠近导电媒质和绝缘体媒质分界面处介质环境的变化非常敏感，因此SPR传感技术常被运用于物体的折射率传感。
太赫兹（THz）是波动频率单位之一。THz波频段大概在0.1-10THz之间，是一种新的、有很多独特优点的辐射源。1THz的太赫兹波光子能量不及X射线的百万分之一，如此低的光子能量不会引起大部分生物组织的光致电离，因而不会对生物组织造成损伤。结合SPR传感技术在物体的折射率传感方面的优势，理论上太赫兹SPR传感技术在生物传感方面具有潜在的工程引用价值。
对于大多数贵金属而言等离子频率通常处于紫外波段，但是亚波长约束只能在等离子体频率附近获得。为了克服低频段波的限制，理论和实验室研究已经表明在远红外和太赫兹波段，石墨烯能够支持高度局域在其表面的等离体模式。另外，通过化学或者静电掺杂等方式可以对石墨烯表面等离子体模式进行动态调节。石墨烯优越的性能，使其在传感器件等诸多领域显示出广阔的应用前景。
发明内容:
本发明的目的是提供一种基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置及工作方法，该装置结构简单、操作方便、可靠性强。
本发明解决技术问题所采用的方案是，
本发明基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置，其特征在于：包括电控旋转平台和设在电控旋转平台上面的三棱柱形锗棱镜，所述三棱柱形锗棱镜第一侧面依次设有样品、石墨烯缓冲层、掺杂的石墨烯层和MgF2基底层；所述三棱柱形锗棱镜的另外两个侧面旁侧分别设有太赫兹发射器和太赫兹探测器，所述太赫兹发射器和太赫兹探测器与太赫兹信号处理系统连接。
进一步的，上述太赫兹发射器为石墨烯表面等离子共振传感系统提供单频的TM偏振太赫兹波。
进一步的，上述掺杂的石墨烯层采用静电掺杂方式进行掺杂，作为表面等离子体激发的载体。
进一步的，上述的石墨烯缓冲层采用聚轻基苯乙烯的衍生物NFC旋涂而成。所述的三棱柱形锗棱镜用于实现入射太赫兹波与石墨烯表面等离子体动量的匹配。
进一步的，上述的电控转动平台控制入射太赫兹波的入射角度，以实现内全反射角的调制。
进一步的，上述太赫兹信号处理系统对单频太赫兹波在不同入射角度下相位的提取，并绘制相位谱和相位差，即样品相位-参考相位变化率的绝对值谱。
本发明基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置的工作方法，其特征在于：所述基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置包括电控旋转平台和设在电控旋转平台上面的三棱柱形锗棱镜，所述三棱柱形锗棱镜第一侧面依次设有样品、石墨烯缓冲层、掺杂的石墨烯层和MgF2基底层；所述三棱柱形锗棱镜的另外两个侧面旁侧分别设有太赫兹发射器和太赫兹探测器，所述太赫兹发射器和太赫兹探测器与太赫兹信号处理系统连接；工作时，将三棱柱形锗棱镜、样品、石墨烯缓冲层、掺杂的石墨烯层和MgF2基底层依次置于电控旋转平台上面；由电控旋转平台带动旋转，改变太赫兹波的入射角度，太赫兹发射器为太赫兹信号处理系统提供单频的TM偏振太赫兹波，从三棱柱形锗棱镜的一面以大于全反射临界角的入射角度入射（），在三棱柱形锗棱镜底部发生全反射形成倏逝波，满足等离子体共振的条件时，激发出石墨烯表面等离子体，并形成沿着所述的掺杂的石墨烯和所述的样品界面传播的表面等离子极化波，同时太赫兹波发生反射，从三棱柱形锗棱镜的另一面射出，太赫兹探测器对经所述的三棱柱形锗棱镜调制的太赫兹信号进行探测，并将探测得到的太赫兹信号传输给所述的太赫兹信号处理系统进行处理，得到石墨烯表面等离子体共振的太赫兹反射波相位谱以及相位差变化率绝对值普；在共振角度的位置相位谱会出现相位跳变，即相位差变化率绝对值普会出现一个波峰，不同的样品具有不同的折射率会使得共振角度发生飘移，从这些谱中可以获取样品的折射率信息，实现物体的折射率传感。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置及工作方法，创新性地利用掺杂的石墨烯来替代传统的贵金属作为表面等离子体激发的载体，有效地克服贵金属对太赫兹传感器件低频段波的限制。同时，利用静电掺杂方式对石墨烯进行掺杂，可以改变其支持的表面等离子体模式。石墨烯表面等离子体的可调性，使得石墨烯在太赫兹表面等离体共振传感器的设计方面具有很好的灵活性。利用石墨烯的这一特性，实现了物体折射率检测范围动态可调的石墨烯等离子体传感装置的设计。该系统结构简单，操作方便，可靠性强。更为重要的是，在石墨烯表面等离子体共振情况下，太赫兹反射波的相位会发生突变。与基于太赫兹反射波强度检测的传统传感方法相比，利用太赫兹反射波的相位突变信息来进行传感的表征，具有更高的检测精度和品质因数（FOM）。研究表明，在室温下，当石墨烯的掺杂水平为1.0 eV，样品的折射率为1时，采用太赫兹反射波相位突变信息进行传感，传感系统的FOM达到了171，远高于基于太赫兹反射波强度检测的传统传感方法的FOM。该传感检测方法在研究高性能的物体折射率传感器方面具有潜在的工程应用价值。
附图说明：
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是不同样品折射率下共振反射普；
图3是不同样品折射率下共振相位普；
图4是不同样品折射率下共振相位差变化率绝对值普；
图中：
1-太赫兹发射器；2-样品；3-三棱柱形锗棱镜；4-电控旋转平台；5-太赫兹探测器；6-掺杂的石墨烯层；7-石墨烯缓冲层；8-MgF2基底； 9-太赫兹信号处理系统。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明制作包括电控旋转平台4和设在电控旋转平台4上面的三棱柱形锗棱镜3，所述三棱柱形锗棱镜第一侧面依次设有样品2、石墨烯缓冲层7、掺杂的石墨烯层6和MgF2基底层8；三棱柱形锗棱镜第一侧面与样品2、石墨烯缓冲层7、掺杂的石墨烯层6和MgF2基底层8相贴近，所述三棱柱形锗棱镜的另外两个侧面旁侧分别设有太赫兹发射器1和太赫兹探测器5，所述太赫兹发射器和太赫兹探测器与太赫兹信号处理系统9连接。
上述样品指的是在太赫兹频段折射率小于4的物体，涉及的范围非常广，可以是气体、液体、固体，比如氮气、水、汽油、甘油、液态石蜡等；石墨烯缓冲层7具体指的是采用聚轻基苯乙烯的衍生物材料（市面上常见的一种材料，简称NFC）旋涂成一层均匀的薄层在掺杂的石墨烯层6上作为石墨烯缓冲层；掺杂的石墨烯层6具体指的是利用加电压掺杂方式对大片连续的石墨烯进行掺杂，模拟结果是基于石墨烯掺杂水平EF = 1.0 eV。
所述掺杂的石墨烯采用静电掺杂方式进行掺杂，作为表面等离子体激发的载体。所述石墨烯缓冲层采用聚轻基苯乙烯的衍生物NFC旋涂而成，所述三棱柱形锗棱镜用于实现入射太赫兹波与石墨烯表面等离子体动量的匹配，所述电控转动平台控制入射太赫兹波的入射角度，从而实现内全反射角的调制，所述旋转平台带动传感系统旋转，进行太赫兹光源入射角度的调制，所述太赫兹发射器发射TM偏振的太赫兹光源，太赫兹光源从所述三棱柱形锗棱镜的一面以大于全反射临界角的入射角度入射（），在三棱柱形锗棱镜底部发生全反射形成倏逝波，满足等离子体共振的条件时，激发出石墨烯表面等离子体，并形成沿着所述的掺杂的石墨烯和样品界面传播的表面等离子极化波，同时太赫兹波发生反射，从三棱柱形锗棱镜的另一面射出，所述太赫兹探测器对经所述的三棱柱形锗棱镜调制的太赫兹信号进行探测，并将探测得到的太赫兹信号传输给所述的太赫兹信号处理系统进行处理，得到石墨烯表面等离子体共振的太赫兹反射波相位谱以及相位差变化率绝对值普。
具体如图1所示，一种基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置及方法，包括：太赫兹发射器1、样品2、三棱柱形锗棱镜3、电控旋转平台4、太赫兹探测器5、掺杂的石墨烯层6、石墨烯缓冲层7、MgF2基底层8、太赫兹信号处理系统9。在MgF2基底层8上方旋涂上一层薄的石墨烯缓冲层7，为掺杂的石墨烯层6提供一个较为平缓的接触面，从而降低所述的石墨烯载流子迁移率的衰减。利用石墨烯转移技术将掺杂的石墨烯层6转移到石墨烯缓冲层7上。利用掺杂的石墨烯层6本身具有较大地生物分子吸附能力，进行样品检测时，直接将样品2放置在三棱柱形锗棱镜3底部与掺杂的石墨烯层6之间的间隙，形成Otto的石墨烯表面等离子共振传感结构。该传感系统进行工作时，将其置于电控旋转平台4上面，由电控旋转平台4带动旋转，改变太赫兹波的入射角度。太赫兹发射器1，为石墨烯表面等离子共振传感系统提供单频的TM偏振太赫兹波，从三棱柱形锗棱镜3的一面以大于全反射临界角的入射角度入射（），在三棱柱形锗棱镜3底部发生全反射形成倏逝波，满足等离子体共振的条件时，激发出石墨烯表面等离子体，并形成沿着掺杂的石墨烯层6和样品2界面传播的表面等离子极化波，同时太赫兹波发生反射，从三棱柱形锗棱镜3的另一面射出，太赫兹探测器5对经三棱柱形锗棱镜3调制的太赫兹信号进行探测，并将探测得到的太赫兹信号传输给所述的太赫兹信号处理系统9进行处理，得到石墨烯表面等离子体共振的太赫兹反射波相位谱以及相位差变化率绝对值普，根据这些谱的信息继而实现物体的折射率传感。
如图2所示，实线、点划线、虚线、双点划线、点线，分别表示石墨烯掺杂水平E F =1.0 eV，样品折射率n a 从1.0变化到1.4时，太赫兹信号反射普。从图中我们可以看出，随着样品折射率的增加，石墨烯表面等离子体的共振角度右移，同时由于表面等离子体损耗的增加，反射普的半峰全宽（FWHM）也逐渐增大，通过这些反射普计算计算得到FOM分别为：11，9, 8, 7和6。
如图3所示，双实线、点划线、虚线、双点划线、点线，分别表示石墨烯掺杂水平E F =1.0 eV，样品折射率n a 从1.0变化到1.4时，太赫兹反射波相位谱。从图中我们可以看出，在石墨烯表面等离子体共振位置（反射谱的最低点）附近，太赫兹反射波相位会发生突变，而且发生突变的区域远小于反射谱的FWHM(如图2所示)，即当介电环境发生变化时，太赫兹反射波的相位响应比其强度响应更具灵敏性，因此采用太赫兹反射波的相位变化作为样品折射率传感的输出响应具有更高的传感灵敏度。
如图4所示，双实线、点划线、虚线、双点划线、点线，分别表示石墨烯掺杂水平E F =1.0 eV，样品折射率n a 从1.0变化到1.4时，太赫兹反射波相位差（样品相位-参考相位）变化率绝对值谱。从图中我们可以明显看出，在石墨烯等离子体共振的位置，太赫兹反射波相位差变化率绝对值谱会出现一个尖锐的波峰，利用这些谱计算得到FOM分别为：171, 94, 94,145和126，远大于传统的通过反射谱计算得到的FOM。

Claims (8)

1.一种基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置，其特征在于：包括电控旋转平台和设在电控旋转平台上面的三棱柱形锗棱镜，所述三棱柱形锗棱镜第一侧面依次设有样品、石墨烯缓冲层、掺杂的石墨烯层和MgF2基底层；所述三棱柱形锗棱镜的另外两个侧面旁侧分别设有太赫兹发射器和太赫兹探测器，所述太赫兹发射器和太赫兹探测器与太赫兹信号处理系统连接。
2.根据权利要求1所述的基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置，其特征在于：所述太赫兹发射器为石墨烯表面等离子共振传感系统提供单频的TM偏振太赫兹波。
3.根据权利要求1所述的基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置，其特征在于：所述掺杂的石墨烯层采用静电掺杂方式进行掺杂，作为表面等离子体激发的载体。
4.根据权利要求1所述的基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置，其特征在于：所述的石墨烯缓冲层采用聚轻基苯乙烯的衍生物NFC旋涂而成。
5.所述的三棱柱形锗棱镜用于实现入射太赫兹波与石墨烯表面等离子体动量的匹配。
6.根据权利要求1所述的基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置，其特征在于：所述的电控转动平台控制入射太赫兹波的入射角度，以实现内全反射角的调制。
7.根据权利要求1所述的基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置，其特征在于：所述太赫兹信号处理系统对单频太赫兹波在不同入射角度下相位的提取，并绘制相位谱和相位差，即样品相位-参考相位变化率的绝对值谱。
8.一种基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置的工作方法，其特征在于：所述基于太赫兹相位突变的石墨烯等离子体传感装置包括电控旋转平台和设在电控旋转平台上面的三棱柱形锗棱镜，所述三棱柱形锗棱镜第一侧面依次设有样品、石墨烯缓冲层、掺杂的石墨烯层和MgF2基底层；所述三棱柱形锗棱镜的另外两个侧面旁侧分别设有太赫兹发射器和太赫兹探测器，所述太赫兹发射器和太赫兹探测器与太赫兹信号处理系统连接；工作时，将三棱柱形锗棱镜、样品、石墨烯缓冲层、掺杂的石墨烯层和MgF2基底层依次置于电控旋转平台上面；由电控旋转平台带动旋转，改变太赫兹波的入射角度，太赫兹发射器为太赫兹信号处理系统提供单频的TM偏振太赫兹波，从三棱柱形锗棱镜的一面以大于全反射临界角的入射角度入射（），在三棱柱形锗棱镜底部发生全反射形成倏逝波，满足等离子体共振的条件时，激发出石墨烯表面等离子体，并形成沿着所述的掺杂的石墨烯和所述的样品界面传播的表面等离子极化波，同时太赫兹波发生反射，从三棱柱形锗棱镜的另一面射出，太赫兹探测器对经所述的三棱柱形锗棱镜调制的太赫兹信号进行探测，并将探测得到的太赫兹信号传输给所述的太赫兹信号处理系统进行处理，得到石墨烯表面等离子体共振的太赫兹反射波相位谱以及相位差变化率绝对值普；在共振角度的位置相位谱会出现相位跳变，即相位差变化率绝对值普会出现一个波峰，不同的样品具有不同的折射率会使得共振角度发生飘移，从这些谱中可以获取样品的折射率信息，实现物体的折射率传感。
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