CN110146469A - 一种石墨烯包覆的金纳米管表面等离子体光纤传感器 - Google Patents

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杨宏艳
张严铎
陈明
徐荣辉
邓仕杰
苑立波
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Abstract

本发明设计了一种易加工的，石墨烯包覆的金纳米管表面等离子体光纤传感器，主要由光纤体(1)和纤芯周围包裹的金纳米管(2)构成。所述的传感体由纤芯(3)和被石墨烯包覆的金纳米管(2)组成。纳米管(2)均匀的环绕纤芯(1)一周且其表面沉积单原子结构石墨烯层。在纳米管的外侧填充有待测介质(4)，从而纤芯(3)、被包覆的纳米管(2)以及待测介质构成了一个传感体整体。本发明的传感器通过改变结构参数可有效调节透射峰的位置和大小，提高了光纤传感器在可见光波段其折射率灵敏度。基于本发明设计可以实现宽光谱、高精度、可调、易加工的高灵敏度光纤传感器。

Description

一种石墨烯包覆的金纳米管表面等离子体光纤传感器
(一)技术领域
本发明涉及微纳电子领域，属于光纤传感类领域，具体是基于表面等离子体共振的(SPR)的光纤传感技术。
(二)背景技术
表面等离子共振(surface plasmon resonant,SPR)是一种可自由移动的表面电荷(比如金属中的自由电子)受外来电磁场的作用(比如光)而产生的一种共振现象。电磁场作用于自由电子使其电荷密度重新分布产生集体振荡，辐射出电磁场，其涉及到的电磁场理论满足麦克斯韦方程组。早在1902年Wood教授发现光栅异常反射现象，被后人称为Wood异常；1967年Ritch通过SPP理论解释了当电磁波穿过其波长略大于金属孔间距出现的强烈透射现象。SPP的研究因为当时的加工工艺不能达到微纳量级，于此止步不前，直到现代加工工艺的出现。
2007年，Yanina等人提出并设计了一种TFBG，利用TFBG将单模光纤纤芯模式的能量耦合到包层，在其所镀的金属膜表面激发SPR，对DNA分子进行了检测实验；2013年，He提出了一种折射率灵敏度高达27000nm/RIU的LPG-SPR光纤传感器，同时提出结合有限元和本征模展开的传感器数值仿真分析方法。2016年，Rifat等人提出一种高灵敏度的多芯边扁平光纤SPR传感器，在光纤表面镀上TiO2膜和金膜，折射率在1.460～1.485的折射率范围可以达到9600nm/RIU。
2004年，石墨烯被成功制备出来后，就一直是全世界关注的热点，它具有独特的结构和优异的电学、热学、力学等特性。在光学邻域内，有学者通过调节石墨烯的电化学势能，影响其禁带宽度，改变其金属性，在表面等离子共振发生时，因其自由的电荷出现，理论上可以产生表面等离子激元。
研究表明，在光纤的纤芯表面沉积厚度为纳米量级的金膜，当特定波长的光通过后可以激发等离子共振激元，其厚度具体数值与金属的介电常数有关，金属的介电常数与入射波的波长相关，因此在不同的入射波长下，最佳的可以产生共振的金属厚度也会发生相应的改变。
随着科学技术的发展，信息时代的到来，人们对数据传输和感测能力的需求不断提高，传感器的应用越来越广泛。但是受限于普通传感器的体积、制作工艺、应用范围、精度以及稳定性等问题，提高传感器灵敏度，寻求新的物理机制及结构设计是当务之急。石墨烯包覆金纳米管传感器拥有体积小、功耗低、可靠性高、易于集成、制作工艺简单、适用范围宽广等一系列的优点，为解决当前面临的光纤传感器存在现有的问题提供了有效的解决方案。
(三)发明内容
本发明主要解决现有的光纤传感器灵敏度低、传感结构复杂，加工困难的问题，设计了一种高灵敏度的石墨烯包覆金纳米管结构的表面等离子共振光纤传感器。本发明通过以下技术方案解决上述问题：
一种结构简单的石墨烯包覆金纳米管结构的光纤传感器，主要有光纤体和光纤端面突出的纤芯传感体，所述的传感体光纤由纤芯、环绕纤芯一周的金纳米管结构组成，并在外侧沉积石墨烯单原子层。在纳米管的周围填充有待测介质。从而光纤体、石墨烯包覆金纳米管的光纤纤芯和待测物质构成了完整传感体。
上述方案中，纳米管材料可以为铝、铜、银，其最优选的金属材料为金；
上述方案中，光纤纤芯优选材料为二氧化硅，折射率1.45；
上述方案中，优选的被纳米管包裹结构的纤芯半径为3um；
上述方案中，优选的纳米管厚度T范围为5nm～20nm；
上述方案中，优选的纳米管外径R变化范围为20nm～35nm；
上述方案中，石墨烯的层数N变化范围为1层～4层；
上述方案中，优选的外侧待测物质折射率n变化范围为1.33～1.37；
与现有等离子体传感器相比，本发明的优点有：
1.本发明方案中，传感器的结构简单，优选的材料为无芯光纤，腐蚀涂覆层后在其表面贴附一层金纳米管，再沉积石墨烯层，即可作为传感器使用。
2.本发明方案中，可以改变的参数选择多样化，不同的金纳米管外径，纳米管厚度，石墨烯的沉积层数，可以针对不同的可见光波段进行不同的调整，确定最佳的传感结构。
3.本发明方案中，传感器的灵敏度相对于结构相近的传感器，比如光纤纤芯镀金膜的结构等，拥有更高的灵敏度，可以达到6000nm/RIU。
(四)附图说明
图1为本发明的一种高灵敏度石墨烯包覆金纳米管结构的等离子体光纤传感器三维结构示意图。
图2为本发明的光纤金纳米管二维结构示意图。
图3为本发明不同结构的波长位移损耗图。
图4为本发明纳米管不同外径尺寸的灵敏度S和FOM图谱。
图5为本发明纳米管不同厚度尺寸的灵敏度S和FOM图谱。
图6为本发明包覆不同层数石墨烯的灵敏度S和FOM图谱。
图中标号为：1、光纤包层；2、环绕光纤侧表面的金纳米管；3、光纤纤芯；4、填充待测介质；5纳米管厚度；6纳米管外径；7纳米管侧表面沉积的石墨烯层(如图为一层石墨烯厚度0.34nm)；8光纤纤芯；
(五)具体实施方式
为了进一步说明本发明的技术方案和优点，结合下面实例对本发明的技术方案作详细说明和探讨。但不用于限制本发明。
一种高灵敏度传感器的三维结构如图1，该结构由光纤体、光纤纤芯、石墨烯包覆纤芯侧面的金属纳米管结构组成。介质3的材料为二氧化硅，金属纳米管为含自由电子的材料如金、银、铜、半导体二氧化钛等，在本例中优选金管。金属纳米管周围均匀的排列环绕纤芯一周。参见图2给出部分纤芯包裹的二维结构示意图。
本发明工作机理：将宽光谱从光纤的一端耦合入光纤，光纤另一端的出射光线入射至光谱仪，光纤的中一部分被剖去包层，并包裹金属纳米管，在其外表面沉积一层石墨烯层，将该部分浸入待测液体，待测液的折射率发生变化时，其纤芯内部不同波段的损耗峰会发生移动，损耗的能量转换为表面等离子共振，通过变化的折射率和变化的波段移动，由灵敏度的两个参量：灵敏度S和品质因子FOM的定义公式，可以得到不同结构的灵敏度。
在本发明实例中每个金纳米管外径R的范围为20nm～35nm；纳米管的厚度T变化范围为5nm～20nm；其包裹的纤芯折射率为1.45；石墨烯层数N范围为1～4层，待测溶液的折射率n范围在1.33～1.37之间；。
通过改变纳米管厚度、纳米管外径、石墨烯的层数、纳米管材质等参数可以调节损耗峰所在位置、大小和半高宽，可以在可见光波段得到高灵敏度、可选频的表面等离子共振传感器。在本发明的基础下结合实例可得出如下结果：
图3为本发明节选的不同结构的波长位移损耗图，其中N代表石墨烯层数，T代表纳米管的厚度，R为纳米管外径，n代表外界待测物折射率，如图所示，当外界折射率增大时，所有结构都会发生损耗峰红移的现象，但不同结构的波长位移大小并不相同，图中最大的波长位移约为50nm，最小波长位移约为30nm。损耗峰的波长位移越大，其该结构的灵敏度S越高。半高宽越窄，品质因子FOM越大，因此，损耗峰的波长位移越大，且损耗峰形状越尖细，则是最理想的传感结构。
图4为本发明纳米管厚度T＝10nm石墨烯N＝1层时，不同外径尺寸结构得到的灵敏度S和品质因子FOM变化曲线。如图可知，当外径尺寸增大时，其波长位移越明显，且损耗峰的半高宽越窄，灵敏度S曲线与品质因子FOM曲线有着相同的变化趋势。
图5为本发明纳米管外径R＝20nm石墨烯N＝1层时，不同厚度结构得到的灵敏度S和品质因子FOM变化曲线。如图可知，只有在厚度为9纳米附近时，波长位移的距离才是最大的，根据灵敏度S的定义公式，位移接近40nm.对于品质因子FOM而言，厚度越大，半高宽越窄，并不存在极大值。
图6为本发明纳米管外径R＝20nm厚度T＝5nm时，不同石墨烯层结构得到的灵敏度S和品质因子FOM变化曲线，如图可知，灵敏度S和品质因子FOM同时存在一个最理想的结构，石墨烯层数为2层时，该结构的灵敏可以达到约6000nm/RIU，且FOM的变化趋势与其相当，意味着此时的损耗峰展宽也是最小的，在不考虑其他参数，石墨烯2层是最优的选择。
综上所述，在亚波长的范围内，金纳米管的尺寸从20nm起步越大灵敏度越高，石墨烯的层数为2层灵敏度最高，但厚度并没有最好的选择，厚度的增加灵敏度S增加，但同时伴随着损耗峰的展宽，灵敏度是对S和FOM综合的考量，因此传感器参数需要根据实际情况具体定夺。
以上实例仅作为本发明的实施方式，本发明不局限于以上实现方式，凡在本发明的思想、原理和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均视为在本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种石墨烯包覆的金纳米管表面等离子体光纤传感器，该传感器主要包括光纤体(1)和纤芯侧表面包裹的纳米管(2)组成，传感体由纤芯(3)和纤芯周围包裹的纳米管(2)构成，纳米管均匀的环绕纤芯侧面一周，并在其外侧沉积石墨烯单原子层，纳米管的外侧为待测介质，光纤，光纤纤芯和被纤芯包裹的纳米管构成了完整的SPR光纤传感器。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的石墨烯包覆的金纳米管结构SPR光纤传感器，其特征在于：纤芯介质采用二氧化硅(3)。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的石墨烯包覆的金纳米管结构SPR光纤传感器，其特征在于：纤芯(3)半径为3um。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的石墨烯包覆的金纳米管结构SPR光纤传感器，其特征在于：纳米管(2)材料为金且外径R介于20nm～35nm。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的石墨烯包覆的金纳米管结构SPR光纤传感器，其特征在于：纳米管(2)的厚度T范围为5nm～20nm。
6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的石墨烯包覆的金纳米管结构SPR光纤传感器，其特征在于：包覆纳米管的石墨烯层数N范围为1层～4层。
7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的包裹纳米环结构表面等离子激元光纤传感器，其特征在于：外侧待测介质折射率n范围为1.33～1.37。
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