CN111189787B - 一种基于石墨烯d形光纤的超敏气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于传感领域，具体涉及一种基于石墨烯D形光纤的超敏气体传感器。本发明通过金‑石墨烯‑金异质结结构施加外部电压对石墨烯费米能级进行调节，通过施加外部电压，使得石墨烯费米能级被调节到接近狄拉克点的位置，当被传感的气体分子吸附到石墨烯上时，石墨烯的载流子浓度会发生变化，从而引起费米能级的微小变化。由于此时石墨烯的费米能级接近狄拉克点，石墨烯D形光纤的由输入泵浦光所激发的四波混频信号对外界传感分子的响应最为灵敏，此时传感灵敏度达到最佳。本发明显著地增强了输入光信号与外界传感分子的相互作用，体积小、结构简单，传感灵敏度达到单分子量级，采用全光纤结构，能方便的接入光纤传感与通信网络，实现快速实时监测。

Description

一种基于石墨烯D形光纤的超敏气体传感器
技术领域
本发明属于传感领域，具体涉及一种基于石墨烯D形光纤的超敏气体传感器。
背景技术
随着工业不断发展，人们生活水平不断提高，气体传感器开始被人们大范围应用于生活中对易燃、易爆、有毒有害气体的探测，工业合成中气体原料或产物浓度、废气成分的监测，以及对大气污染的检测。
气体传感器种类繁多，按照工作原理可分为：电学类、光学类、电化学类和其他。而半导体传感器和电化学传感器最为常见。半导体传感器成本低廉、工艺成熟、灵敏度较高、寿命长、对湿度敏感低，但它的性能与气体敏感材料特性密切相关，同时还受传感器工作温度的强烈制约和影响，因此需要配合加热器使用，导致功率和体积增加。电化学气体传感器则被广泛应用在各种工业场合。但是它体积大、寿命短、抗电磁干扰能力弱、系统复杂且某些传感器容易受到来自其他特定气体的干扰。
同时，人们对气体传感器性能要求也越来越高。新型气体传感器需要具备高灵敏度、准确性，易于加工、集成，体积小、成本低，信息采集和处理快速高效等特性。高效、准确的气体传感器能帮助人们有效避免相关事故发生，做到防患于未然，保护生命财产安全。
D形光纤是由圆柱形光纤经过抛磨去掉一侧的包层部分制作所得到的，具有制作工艺简单，制作成本相对较低的优点。通过减少或者去掉光纤一侧的包层，当光纤纤芯与抛磨面的距离只有几微米时，光纤的倏逝场能量容易从抛磨区域泄露出来，形成纤芯传输光的泄露窗口，当有材料贴附于D形光纤的抛磨区域时，光纤内传输的光信号与贴附的材料发生相互作用，实现对光纤内传输光信号的调制。
传统基于D形光纤的传感器虽然也是在D形光纤的抛磨平面贴附具有不同的薄膜材料来实现传感功能。但是都只是简单将薄膜材料贴附在相应的抛磨平面，传感灵敏度主要是由材料本身决定。一旦薄膜材料贴附在D形光纤的抛磨区域，相应的器件的传感灵敏度就已经确定，这也限制了传统基于D形光纤的传感器的灵敏度。近几年基于D形光纤的传感器的研究主要是通过改变贴附在D形光纤上的薄膜材料来扩展基于D形光纤传感器的应用，而针对其灵敏度的创新性研究也主要是通过改变同种材料的性质来提升特定种类传感器的灵敏度，并没有实质上针对D形光纤传感器灵敏度的提升方案，这也是基于D形光纤的传感器的局限所在。
发明内容
针对上述问题，为保证传感器在具有体积小、结构简单等优点的基础上，实现单分子量级的传感灵敏度的传感功能，来替代结构复杂、抗干扰能力弱、应用面局限的电化学气体传感器和改进传感灵敏度仍然相对较低的光学气体传感器。本发明提供一种基于石墨烯D形光纤的超敏气体传感器。
一种基于石墨烯D形光纤的超敏气体传感器，由D形光纤和金-石墨烯-金异质结结构薄膜组成。
所述D形光纤的抛磨面区域包括中间的平坦区域和两端的斜面区域，抛磨面区域长度3-8毫米，其中平坦区域长度占抛磨面长度的70％-80％，两端的斜面区域长度相同；抛磨深度为抛磨平面距纤芯1-5微米，由芯径8微米，外包层直径125微米的单模光纤制成。
所述金-石墨烯-金异质结结构薄膜为中间石墨烯薄膜、两端金膜，中间石墨烯薄膜与两端的金膜相互接触；石墨烯薄膜完全覆盖D形光纤抛磨面区域的平坦区域，抛磨面区域长度＞石墨烯薄膜长度≥抛磨面平坦区域长度；金膜厚度大于20纳米，石墨烯薄膜为单层石墨烯薄膜。
进一步的，所述金-石墨烯-金异质结结构薄膜中，石墨烯薄膜与两端的金膜相互接触的方式为金膜位于石墨烯薄膜上方；异质结结构中未被金膜覆盖的石墨烯薄膜占覆盖在D形光纤上的石墨烯薄膜总面积的70％-80％。
所述单层石墨烯通过化学气相沉积的方法制备而成，厚0.38纳米。金膜厚度为50纳米，分别用作电极。
石墨烯是表面积/体积比最大的薄膜材料。石墨烯薄膜在CVD生长和湿法转移等技术的支持下，能够在光学波导上覆盖、沉积，而光纤在经过加工后能和石墨烯高效地相互作用，二者的组合具有高度的可行性。
四波混频是非线性光学中的现象，在满足相位匹配的条件下，由两个或三个波长之间的相互作用产生两个或一个新的波长。本发明通过输入1520-1560纳米的连续可调谐的激光信号，寻找满足通过石墨烯D形光纤激发的四波混频的相位匹配的波长。由于石墨烯的非线性过程与石墨烯的费米能级有关，通过金-石墨烯-金异质结结构调节施加在石墨烯上0-30V的电压进而调节石墨烯的费米能级，当调节石墨烯费米能级到接近狄拉克点时，输入光信号激发的四波混频信号对气体分子吸附引起的石墨烯表面载流子浓度的变化最敏感。
本发明的工作机理是：通过金-石墨烯-金异质结结构施加外部电压对石墨烯费米能级进行调节，由于当石墨烯费米能级接近狄拉克点时，石墨烯的非线性效应对石墨烯费米能级的变化最为敏感。所以通过施加外部电压，使得石墨烯费米能级被调节到接近狄拉克点的位置，当被传感的气体分子吸附到石墨烯上时，石墨烯的载流子浓度会发生变化，从而引起费米能级的微小变化。由于此时石墨烯的费米能级接近狄拉克点，石墨烯D形光纤的由输入泵浦光所激发的四波混频信号对外界传感分子的响应最为灵敏，此时传感灵敏度达到最佳。
本发明结合了光学、超材料学科和微纳加工的先进技术。通过石墨烯D形光纤的倏逝场的作用，显著地增强了输入光信号与外界传感分子的相互作用。依靠石墨烯的物理吸附、电可调费米能级和非线性光学特性，通过电学调控石墨烯，精确控制石墨烯费米能级接近狄拉克点，使得石墨烯激发的四波混频信号对外界气体分子的响应达到最佳，从而极大地提高了对外界气体分子的传感响应能力。相比于其他D形光纤气体分子传感器提高了1000倍以上。本发明器件体积小、结构简单，通过外差探测和锁相放大的技术，传感灵敏度达到单分子量级，同时本发明采用全光纤结构，能方便的接入光纤传感与通信网络，实现快速实时监测。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图；
图2是本发明光谱测试系统图；
图3是本发明的气体传感测试系统图；
图4是本发明的测量结果；
附图标记：D形光纤-(1)，金膜-(2)，石墨烯薄膜-(3)，飞秒激光-(4)，扫描激光器-(5)，石墨烯D形光纤样品-(6)，光谱仪-(7)，平衡光电探测器-(8)，信号发生器-(9)，混频器-(10)，锁相放大器-(11)，示波器-(12)。
具体实施方式
下面将结合附图及实例对本发明作进一步的描述。
一种基于石墨烯D形光纤超敏气体传感器，包括D形光纤(1)、石墨烯薄膜(3)、金-石墨烯-金异质结结构。所述D形光纤(1)是通过抛磨的方法将芯径为8微米的单模光纤抛磨而成。石墨烯薄膜(3)贴附在D形光纤的抛磨平面，利用掩模喷涂的方法将厚50纳米的金膜(2)喷涂与D形光纤上(1)，构成完整的气体传感结构。
结合图1，图2所示，在长1米的单模光纤上选取长度为5厘米、芯径为8微米的部分去除涂敷层，通过侧边抛磨的方法对去除了涂覆层的光纤中心位置进行抛磨。得到抛磨平面距纤芯2微米、抛磨长度为5毫米的D形光纤样品。
将D形光纤样品以抛磨平面向上的形式沿玻片的长边方向放置在玻片中心固定在玻片上，两端用UV胶进行固定，选用玻片的尺寸为长4厘米，宽2厘米，高1毫米。采用湿法转移的方法，将长3毫米，宽1毫米的石墨烯薄膜(3)转移到D形光纤(1)的抛磨区域，由于范德华力，石墨烯(3)与D形光纤(1)的抛磨平面贴合。将贴附好的石墨烯薄膜(3)的中心区域(占石墨烯薄膜沿光纤部分长度的百分之75)的部分掩模，在未被掩模的D形光纤(1)抛磨面区域上喷涂金膜(2)。其中掩模区域为贴附石墨烯的区域中心长2毫米的区域，喷涂金膜厚度为50纳米，石墨烯薄膜(3)与金膜(2)接触，形成金-石墨烯-金异质结结构。
结合图2所示，将中心波长为1560纳米的飞秒激光(4)与扫描范围为1520-1560纳米的扫描激光器(5)的信号通过50：50的耦合器将信号输入石墨烯D形光纤样品(6)，扫描激光器扫描范围为1520-1560纳米，扫描精度为0.001纳米。通过光谱仪(7)观察石墨烯D形光纤输出端光谱在扫描过程中的变化情况来判断输入的扫描激光器的信号波长是否满足通过石墨烯D形光纤激发的四波混频的相位匹配条件。通过分析观察得到1540纳米是满足四波混频相位匹配条件的波长。
在确定满足四波混频相位匹配条件的扫描激光器的输入波长后，结合图3，将中心波长为1560纳米的飞秒激光(4)与波长为1540纳米的扫描激光器(5)信号通过50：50的耦合器将信号输入。将测试系统放入含有待测气体的密闭环境中，并通过金-石墨烯-金异质结结构将对石墨烯施加的外部电压调节到18V。
由于外部电压的作用，石墨烯费米能级接近狄拉克点，此时石墨烯的非线性效应最显著。当石墨烯D形光纤表面吸附气体分子引起载流子浓度的微小变化时，输入光信号激发的四波混频信号的强度会有明显变化。为了将通过石墨烯D形光纤的输出信号与扫描激光器的分路信号同时接入到平衡光电探测器(8)中完成光电转换形成传感电信号。为了进一步提升传感电信号信噪比，提升传感灵敏度至分子量级，需要采用锁相放大器(11)进行传感信号的放大和提取，因此采用另一路信号发生器(9)产生的37.8MHZ参考电信号，与传感电信号接入混频器(10)中混频，使其产生100KHZ的传感拍频信号以满足锁相放大器的带宽要求。接入示波器(12)中，由于石墨烯上气体分子的吸附造成石墨烯费米能级的变化进而导致四波混频信号强度的变化，反映到电学特性上表现为拍频信号强度的变化。
测量结果如图4所示：相应的阶梯状变化是氨气分子在石墨烯上吸附与脱落产生强度不同的阶梯状信号。

Claims (3)

1.一种基于石墨烯D形光纤的超敏气体传感器，其特征在于：由D形光纤和金-石墨烯-金异质结结构薄膜组成；
所述D形光纤的抛磨面区域包括中间的平坦区域和两端的斜面区域，抛磨面区域长度3-8毫米，其中平坦区域长度占抛磨面长度的70％-80％，两端的斜面区域长度相同，抛磨深度为抛磨平面距纤芯1-5微米；所述D形光纤由芯径8微米，外包层直径125微米的单模光纤制成；
所述金-石墨烯-金异质结结构薄膜为中间石墨烯薄膜、两端金膜，中间石墨烯薄膜与两端的金膜相互接触；石墨烯薄膜完全覆盖D形光纤抛磨面区域的平坦区域，抛磨面区域长度＞石墨烯薄膜长度≥抛磨面平坦区域长度；金膜厚度大于20纳米，石墨烯薄膜为厚0.38纳米的单层石墨烯薄膜；
所述金-石墨烯-金异质结结构薄膜中，石墨烯薄膜与两端的金膜相互接触的方式为金膜位于石墨烯薄膜上方；异质结结构中未被金膜覆盖的石墨烯薄膜占覆盖在D形光纤上的石墨烯薄膜总面积的70％-80％。
2.如权利要求1所述基于石墨烯D形光纤的超敏气体传感器，其特征在于：所述单层石墨烯薄膜通过化学气相沉积的方法制备而成。
3.如权利要求1所述基于石墨烯D形光纤的超敏气体传感器，其特征在于：所述金膜厚度为50纳米，分别用作电极。
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