CN108827481A - 一种由石墨烯修正的高灵敏度表面等离子谐振腔传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了.一种由石墨烯修正的高灵敏度表面等离子谐振腔传感器，其特征是，包括自下而上叠接的基底层和金属层，所述金属层中设有贯通金属层上下表面的谐振腔，谐振腔的周边对称设有凹陷的第一直波导和凹陷的第二直波导，第一直波导和第二直波导的底部均设有单层石墨烯与基底层紧密叠接。这种表面等离子传感器不仅体积小、响应快、而且制备过程简单，同时具备灵敏度、Q值高的特点，能实现生物、医学检测领域的纳米级传感。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术及传感领域，具体是一种由石墨烯修正的高灵敏度表面等离子谐振腔传感器。
背景技术
表面等离子体激元（Surface plasmon polariton，简称SPP）是通过改变金属表面的亚波长结构实现的一种光波与可迁移的表面电荷之间电磁模，可以支持金属与介质界面传输的表面等离子波。基于SPP的器件具有尺寸小、响应快、且不受衍射极限的限制，这种独特的性质，使其在纳米量级操纵光能量、高灵敏度传感器、高响应且抗磁干扰等领域发挥着至关重要的作用。
《纳米·快报》在2010年刊载了“Planar Metamaterial Analogue ofElectromagnetically Induced Transparency for Plasmonic Sensing”一文，该研究团队提出的传感器灵敏度可达 588 nmRIU-1。随后，在2016年，《ACS 纳米》中“HybridMagnetoplasmonic Crystals Boost the Performance of Nanohole Arrays asPlasmonic Sensors”一文中提到可实现把传感器的灵敏度提升至659 nmRIU-1。近日，随着表面等离子传感器的不断发展，在《光学快报》2018年刊载的“Magnetic plasmons in asimple metallic nanogroove array for refractive index sensing”一文中，研究人员提出了一种灵敏度高达1200 nmRIU-1的传感器。
然而，就目前情况看，尽管研究人员对传感器的灵敏度进行不断地提升，但是传感器的灵敏度仍然较低，同时传感器的制备方法过于复杂，并且填充传感介质十分困难，难于满足大规模生产的要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种由石墨烯修正的高灵敏度表面等离子谐振腔传感器。这种表面等离子传感器不仅体积小、响应快、而且制备过程简单，同时具备灵敏度、Q值高的特点，能实现生物、医学检测领域的纳米级传感。
实现本发明目的的技术方案是：
一种由石墨烯修正的高灵敏度表面等离子谐振腔传感器，与现有技术不同的是，包括自下而上叠接的基底层和金属层，所述金属层中设有贯通金属层上下表面的谐振腔，谐振腔的周边对称设有凹陷的第一直波导和凹陷的第二直波导，第一直波导和第二直波导的底部均设有单层石墨烯与基底层紧密叠接。
所述谐振腔中的温度传感介质为具有高热光系数的液体材料，谐振腔的长、宽尺寸可调，谐振波长及透射率通过调节谐振腔的长、宽尺寸来进行相应的定量调节，从而达到光学滤波的性能。
所述石墨烯的费米能级和载流子浓度可调，通过改变直波导中石墨烯的费米能级和载流子浓度来实现传感器的谐振波长，从而实现传感器的多波长工作的应用。
所述基底层为Si层。
所述金属层为Ag层。
这种传感器通过气相沉积法在硅基底层上沉积金属层，随后，通过刻蚀的方法在金属层中刻蚀出谐振腔、对称设置第一直波导和第二直波导，最后，在第一直波导和第二直波导的底部生长单层石墨烯与基底层紧密叠接。
入射光从第一直波导或第二直波导一侧入射，出射光从第一直波导或第二直波导的另一侧射出，入射光采用近红外波段的光波。
光波从第一直波导或第二直波导一侧入射时，由于波导两侧为金属Ag，所以SPP可以被典型的金属-介质-金属结构激发，SPP沿着波导向谐振腔处传播，在满足谐振腔共振频率时，SPP会耦合到谐振腔中，从而进一步往另一侧传递，但是，当入射光波波长不满足谐振频率时，SPP则不被激发，并且不能耦合到谐振腔，光波截止于入射侧波导。
谐振腔中的温度传感介质，由于液体感温材料的折射率与温度呈线性的关系，所以当环境温度的改变时，会导致感温材料的折射率改变，从而影响谐振条件，结合SPP色散耦合理论，可以得到谐振波长与温度呈现线性关系，即随着温度的增加，谐振波长会发生红移，红移的量也可以根据结构参数即谐振腔的长、宽得到精确的控制，在实际应用中，当结构参数固定时，由于环境温度的改变，会使得传感材料的折射率发生变化，进而影响谐振波长的变化，通过频谱仪测量谐振波长的移动量，然后根据SPP色散耦合理论及全矢量有限元理论可以精确的得到环境的温度变化量。
这种传感器可以精确的用于检测环境温度的微小变化，并且可以根据需要设定耦合后光的波长及透射率。
这种传感器可以用于纳米量级的实时温度传感等领域。
这种表面等离子传感器不仅体积小、响应快、而且制备过程简单，同时具备灵敏度、Q值高的特点，能实现生物、医学检测领域的纳米级传感。
附图说明
图1为实施例的结构示意图。
图中，1. 硅基底层 2. 金属层Ag 3.第一直波导 3-1.第二直波导4.谐振腔 5.单层石墨烯。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图1，一种由石墨烯修正的高灵敏度表面等离子谐振腔传感器，包括自下而上叠接的基底层1和金属层2，所述金属层2中设有贯通金属层2上下表面的谐振腔4，谐振腔4的周边对称设有凹陷的第一直波导3和凹陷的第二直波导3-1，第一直波导3和第二直波导3-1的底部均设有单层石墨烯5与基底层1紧密叠接。
所述谐振腔4中的温度传感介质为具有高热光系数的液体材料，本例为太阳花油，谐振腔4的长、宽尺寸可调，谐振波长及透射率通过调节谐振腔4的长、宽尺寸来进行相应的定量调节，从而达到光学滤波的性能。
所述石墨烯的费米能级和载流子浓度可调，通过改变直波导中石墨烯的费米能级和载流子浓度来实现传感器的谐振波长，从而实现传感器的多波长工作的应用。
所述基底层1为Si层。
所述金属层2为Ag层。
这种传感器通过气相沉积法在硅基底层1上沉积金属层2，随后，通过刻蚀的方法在金属层2中刻蚀出谐振腔4、对称设置第一直波导3和第二直波导3-1，最后，在第一直波导3和第二直波导3-1的底部生长单层石墨烯与基底层1紧密叠接。
入射光从第一直波导3或第二直波导3-1一侧入射，出射光从第一直波导3或第二直波导3-1的另一侧射出，入射光采用近红外波段的光波。
光波从第一直波导3或第二直波导3-1一侧入射时，由于波导两侧为金属Ag，所以SPP可以被典型的金属-介质-金属结构激发，SPP沿着波导向谐振腔4处传播，在满足谐振腔共振频率时，SPP会耦合到谐振腔中，从而进一步往另一侧传递，但是，当入射光波波长不满足谐振频率时，SPP则不被激发，并且不能耦合到谐振腔，光波截止于入射侧波导。
谐振腔4中的温度传感介质，由于液体感温材料的折射率与温度呈线性的关系，所以当环境温度的改变时，会导致感温材料的折射率改变，从而影响谐振条件，结合SPP色散耦合理论，可以得到谐振波长与温度呈现线性关系，即随着温度的增加，谐振波长会发生红移，红移的量也可以根据结构参数即谐振腔的长、宽得到精确的控制，在实际应用中，当结构参数固定时，由于环境温度的改变，会使得传感材料的折射率发生变化，进而影响谐振波长的变化，通过频谱仪测量谐振波长的移动量，然后根据SPP色散耦合理论及全矢量有限元理论可以精确的得到环境的温度变化量。
这种传感器可以精确的用于检测环境温度的微小变化，并且可以根据需要设定耦合后光的波长及透射率。
Claims (5)
1.一种由石墨烯修正的高灵敏度表面等离子谐振腔传感器，其特征是，包括自下而上叠接的基底层和金属层，所述金属层中设有贯通金属层上下表面的谐振腔，谐振腔的周边对称设有凹陷的第一直波导和凹陷的第二直波导，第一直波导和第二直波导的底部均设有单层石墨烯与基底层紧密叠接。
2.根据权利要求1所述得的由石墨烯修正的高灵敏度表面等离子谐振腔传感器，其特征是，所述谐振腔中的温度传感介质为具有高热光系数的液体材料，谐振腔的长、宽尺寸可调。
3.根据权利要求1所述得的由石墨烯修正的高灵敏度表面等离子谐振腔传感器，其特征是，所述石墨烯的费米能级和载流子浓度可调。
4.根据权利要求1所述得的由石墨烯修正的高灵敏度表面等离子谐振腔传感器，其特征是，所述基底层为Si层。
5.根据权利要求1所述得的由石墨烯修正的高灵敏度表面等离子谐振腔传感器，其特征是，所述金属层为Ag层。
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