CN112014350B - 反射式太赫兹可调折射率传感器 - Google Patents

反射式太赫兹可调折射率传感器 Download PDF

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    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length

Abstract

本发明公开了一种反射式太赫兹可调折射率传感器。它包括N×N个在平面上周期排列的结构单元；每个结构单元包括金属层和介质层，其中金属层处于顶层，金属层下层为介质层；金属层中开设有第一矩形空气槽、第二矩形空气槽和工字型空气槽。工字型空气槽内，第三水平空气槽中在介质层表面贴有第一石墨烯纳米嵌入条，第四水平空气槽中在介质层表面贴有第二石墨烯纳米嵌入条。传感器通过加电，改变嵌入空气槽中石墨烯纳米条的化学势，实现加电前三谐振反射谷到加电后两个谐振反射谷的转换。本发明的反射式可调折射率传感器尺寸小、检测范围较宽、灵敏度高、操作灵活，在化学物质的检测中具有较高的应用价值。

Description

反射式太赫兹可调折射率传感器
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种反射式太赫兹可调折射率传感器。
背景技术
太赫兹一般指的是频率为0.1～10THz的电磁波，相应波长为0.03mm～3mm，位于微波和红外波段之间的电磁辐射。近些年来，随着太赫兹辐射的产生和探测技术的发展，太赫兹在生物大分子检测、生物化学传感方面有着很大的应用前景。折射率传感器具有免标记、传感灵敏度高、实时检测等优点，广泛应用于环境检测、食品安全、化学物质检测等领域，是传感器技术中的重要研究方向。
目前，国内外太赫兹波段的折射率传感器主要是由金属超材料构成，常规的金属的介电常数很难通过外部的条件进行调控，研究人员只能够通过改变传感器的金属微结构的尺寸来调节传感器的本身谐振特性，限制了折射率传感器的潜在应用价值。所以设计一种多谐振频率点并且谐振频率点可调的折射率传感器具有十分重要的意义。所以针对上面提出折射率传感器存在的问题，本发明提出了一种将二维石墨烯纳米材料嵌入到镂空金属微结构中，通过加电来改变石墨烯的化学势，达到对石墨烯介电常数和电导率的调节，从而达到折射率传感器多谐振点切换的功能，其控制方法新颖，在结构上也引入了镂空互补性，可以使待检测物更好地与传感器的传感部分接触，可以提高折射率传感器的灵敏度。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种反射式太赫兹可调折射率传感器。本发明的技术方案如下：
一种反射式太赫兹可调折射率传感器，它包括N×N个在平面上周期排列的结构单元，N为大于0的自然数，每个结构单元呈长方体形状，N×N个结构单元在平面上连续拼接；每个结构单元包括金属层和介质层，其中金属层处于顶层，金属层下层为介质层；金属层中开设有第一矩形空气槽、第二矩形空气槽和工字型空气槽，所述工字型空气槽由相互连通的竖直空气槽、第一水平空气槽、第二水平空气槽、第三水平空气槽和第四水平空气槽组成，其中竖直空气槽的竖向中心线与金属层顶面的竖向中心线重合，第二水平空气槽和第四水平空气槽分别设置于竖直空气槽的顶部两侧且三者的顶部边缘平齐，第一水平空气槽和第三水平空气槽分别设置于竖直空气槽的底部两侧且三者的底部边缘平齐，第一矩形空气槽和第二矩形空气槽分别竖直布置于所述工字型空气槽的两侧，金属层中的所有空气槽沿金属层顶面的竖向中心线镜像对称；所述第三水平空气槽中在介质层表面贴有第一石墨烯纳米嵌入条，所述第四水平空气槽中在介质层表面贴有第二石墨烯纳米嵌入条；所述传感器通过加电，改变嵌入空气槽中的第一石墨烯纳米嵌入条和第二石墨烯纳米嵌入条化学势，实现加电前三谐振反射谷到加电后两个谐振反射谷的转换。
上述方案中的各部件具体参数可采用如下优选方式：
作为优选，所述的第一石墨烯纳米嵌入条的材料为石墨烯，第一石墨烯纳米嵌入条的长度为45～55μm，宽度为18～22μm，高度为0.8～1.2nm。
作为优选，所述的第二石墨烯纳米嵌入条的材料为石墨烯，第二石墨烯纳米嵌入条的长度为60～70μm，宽度为18～22μm，高度为0.8～1.2nm。
作为优选，所述的第一矩形空气槽、第二矩形空气槽、竖直空气槽、第一水平空气槽、第二水平空气槽中均填充空气。
作为优选，所述的第一矩形空气槽和第二矩形空气槽的长度、宽度和高度都相等，长度为145～155μm，宽度为18～22μm，高度为0.2～0.5μm。
作为优选，所述的竖直空气槽长度为75～85μm，宽度为18～22μm，高度为0.2～0.5μm。
作为优选，所述的第一水平空气槽和第三水平空气槽的长度、宽度和高度都相等，长度为45～55μm，宽度为18～22μm，高度为0.2～0.5μm。
作为优选，所述的第二水平空气槽和第四水平空气槽的长度、宽度和高度都相等，长度为60～70μm，宽度为18～22μm，高度为0.2～0.5μm。
作为优选，金属层材料为铝，长度和宽度均为240～260μm，高度为0.2～0.5μm。
作为优选，所述的介质层的材料为聚酰亚胺，长度和宽度均为240～260μm，高度为45～55μm。
本发明提出了一种反射式可调折射率传感器，它能通过加电来改变石墨烯的化学势，达到对石墨烯介电常数和电导率的调节，从而达到折射率传感器多谐振点切换的功能，其控制方法新颖、结构简单紧凑、灵敏度高，能够满足在生物大分子，食品安全、化学物质检测等方面的应用需求。
附图说明
图1是反射式太赫兹可调折射率传感器二维平面图和三维结构单元图；
图2是金属层上开设的空气槽形状示意图；
图3是反射式太赫兹可调折射率传感器在二维石墨烯纳米材料(a)不加电、(b)化学势为0.3eV、(c)化学势为0.5eV和(d)化学势为0.7eV时的反射曲线图。
图4是反射式太赫兹可调折射率传感器在二维石墨烯纳米材料不加电时，在(a)0.537THz、(b)0.621THz和(c)0.710THz三个反射谷处的电场能量图；
图5是反射式太赫兹可调折射率传感器在二维石墨烯纳米材料化学势为0.7eV时，在(a)0.506THz和(b)0.718THz两个反射谷处的电场能量图；
图6是反射式太赫兹可调折射率传感器在二维石墨烯纳米材料不加电时，背景折射率为(a)n＝0.9、(b)n＝1、(c)n＝1.1和(d)n＝1.2时的反射曲线图；
图7是反射式太赫兹可调折射率传感器在二维石墨烯纳米材料化学势为0.7eV时，背景折射率为(a)n＝0.9、(b)n＝1、(c)n＝1.1和(d)n＝1.2时的反射曲线图。
具体实施方式
如图1所示，一种反射式太赫兹可调折射率传感器，它包括N×N个在平面上周期排列的结构单元，N为大于0的自然数，N的具体取值可根据器件的实际需要而定。每个结构单元呈长方体形状，N×N个结构单元在平面上连续拼接。为了便于叙述，本发明后续以图1所示的视角状态为准界定水平和竖直方向。
如图1中的放大图所示，每个结构单元包括金属层1和介质层2，其中金属层1处于顶层，金属层1下层为介质层2。金属层1中开设有第一矩形空气槽5、第二矩形空气槽6和工字型空气槽。参见图2所示，工字型空气槽由相互连通的竖直空气槽7、第一水平空气槽8、第二水平空气槽9、第三水平空气槽10和第四水平空气槽11组成，其中竖直空气槽7的竖向中心线与金属层1顶面的竖向中心线重合，第二水平空气槽9和第四水平空气槽11分别设置于竖直空气槽7的顶部两侧且三者的顶部边缘平齐，第一水平空气槽8和第三水平空气槽10分别设置于竖直空气槽7的底部两侧且三者的底部边缘平齐。图2中的虚线代表竖直空气槽7与第一水平空气槽8、第二水平空气槽9、第三水平空气槽10和第四水平空气槽11之间的边界。第一矩形空气槽5和第二矩形空气槽6分别竖直布置于工字型空气槽的两侧，金属层1中的所有空气槽，即第一矩形空气槽5、第二矩形空气槽6和工字型空气槽，均沿金属层1顶面的竖向中心线镜像对称。图2中示出的是在金属层1中开设空气槽后的状态，但在本发明中，还需要在第三水平空气槽10和第四水平空气槽11中嵌入纳米级厚度的石墨烯嵌入条，此时石墨烯嵌入条是贴在介质层表面的，即：第三水平空气槽10中在介质层2表面贴有第一石墨烯纳米嵌入条3，第四水平空气槽11中在介质层2表面贴有第二石墨烯纳米嵌入条4。该反射式太赫兹可调折射率传感器通过加电，改变嵌入空气槽中的第一石墨烯纳米嵌入条3和第二石墨烯纳米嵌入条4化学势，实现加电前三谐振反射谷到加电后两个谐振反射谷的转换。
本发明中各部件的具体材料和参数可以设置如下：第一石墨烯纳米嵌入条3的材料为石墨烯，第一石墨烯纳米嵌入条3的长度为45～55μm，宽度为18～22μm，高度为0.8～1.2nm。第二石墨烯纳米嵌入条4的材料为石墨烯，第二石墨烯纳米嵌入条4的长度为60～70μm，宽度为18～22μm，高度为0.8～1.2nm。第一矩形空气槽5、第二矩形空气槽6、竖直空气槽7、第一水平空气槽8、第二水平空气槽9中均填充空气。第一矩形空气槽5和第二矩形空气槽6的长度、宽度和高度都相等，长度为145～155μm，宽度为18～22μm，高度为0.2～0.5μm。竖直空气槽7长度为75～85μm，宽度为18～22μm，高度为0.2～0.5μm。第一水平空气槽8和第三水平空气槽10的长度、宽度和高度都相等，长度为45～55μm，宽度为18～22μm，高度为0.2～0.5μm。第二水平空气槽9和第四水平空气槽11的长度、宽度和高度都相等，长度为60～70μm，宽度为18～22μm，高度为0.2～0.5μm。金属层1材料为铝，长度和宽度均为240～260μm，高度为0.2～0.5μm。介质层2的材料为聚酰亚胺，长度和宽度均为240～260μm，高度为45～55μm。
下面基于该反射式太赫兹可调折射率传感器，通过实施例说明其具体技术效果。
实施例1
本实施例中，反射式太赫兹可调折射率传感器的结构和各部件形状如上所述，因此不再赘述。但各部件的具体参数如下：
第一石墨烯纳米嵌入条3的材料为石墨烯，第一石墨烯纳米嵌入条3的长度为50μm，宽度为20μm，高度为1nm。第二石墨烯纳米嵌入条4的材料为石墨烯，第二石墨烯纳米嵌入条4的长度为65μm，宽度为20μm，高度为1nm。第一矩形空气槽5、第二矩形空气槽6、竖直空气槽7、第一水平空气槽8、第二水平空气槽9中均填充空气，第三水平空气槽10和第四水平空气槽11中除了底部的石墨烯纳米嵌入条之外其余位置也填充空气。第一矩形空气槽5和第二矩形空气槽6的长度、宽度和高度都相等，长度为150μm，宽度为20μm，高度为0.5μm。竖直空气槽7长度为80μm，宽度为20μm，高度为0.5μm。第一水平空气槽8和第三水平空气槽10的长度、宽度和高度都相等，长度为50μm，宽度为20μm，高度为0.5μm。第二水平空气槽9和第四水平空气槽11的长度、宽度和高度都相等，长度为65μm，宽度为20μm，高度为0.5μm。第二水平空气槽9和第二矩形空气槽6的间距为10μm。金属层1材料为铝，长度和宽度均为250μm，高度为0.5μm。介质层2的材料为聚酰亚胺，长度和宽度均为250μm，高度为50μm。该传感器通过加电来改变石墨烯的化学势，达到对石墨烯介电常数和电导率的调节，从而达到折射率传感器多谐振点切换的功能。该反射式可调折射率传感器的各项性能指标均采用COMSOLMultiphysics 5.5软件进行计算获取。图3为反射式太赫兹可调折射率传感器在在二维石墨烯纳米材料加电过程中的反射曲线图，由图3中(a)、(b)、(c)和(d)的变化过程可以看出随着二维石墨烯纳米材料化学势的逐渐增加，折射率传感器的谐振性能发生变化，由不加电时的三个反射谷，到化学势为0.7eV时的两个反射谷的变化，主要是由于化学势的改变使得二维石墨烯纳米材料电导率发生变化。图4为反射式太赫兹可调折射率传感器在在二维石墨烯纳米材料未加电时，在(a)0.537THz、(b)0.621THz和(c)0.710THz三个反射谷处的电场图。图5为反射式太赫兹可调折射率传感器在在二维石墨烯纳米材料化学势为0.7eV时，在(a)0.506THz和(b)0.718THz两个反射谷处的电场能量图。图6为反射式太赫兹可调折射率传感器在二维石墨烯纳米材料不加电时不同背景折射率对应的反射谱线，当背景折射率从0.9增加到1.2时，三个反射谷的中心频率点都发生了红移。并且我们可以通过计算出折射率灵敏度S来判定折射率传感器的性能是否优越，它的通用公式为S＝df/dn来表示。其中df表示折射率传感器三个谐振谷随着背景折射率变化的频率偏移量，dn表示背景折射率的变化量。通过公式计算可得图6中三个反射谷的折射率灵敏度从左到右分别为0.183THz/RIU、0.333THz/RIU和0.253THz/RIU。图7为反射式太赫兹可调折射率传感器在二维石墨烯纳米材料化学势为0.7eV时背景折射率对应的反射谱线，当背景折射率从0.9增加到1.2时，两个反射谷的中心频率点都发生了红移。根据折射率灵敏度公式计算出两个个反射谷的折射率灵敏度从左到右分别为0.103THz/RIU和0.14THz/RIU。本发明由于使用了二维石墨烯纳米材料，可以根据被测物的不同来改变石墨烯纳米材料的化学势，在反射谱中选取合适的反射谷的中心谐振点的位置，从而可以精确的对被测物折射率的测量。

Claims (10)

1.一种反射式太赫兹可调折射率传感器，其特征在于，它包括N×N个在平面上周期排列的结构单元，N为大于0的自然数，每个结构单元呈长方体形状，N×N个结构单元在平面上连续拼接；每个结构单元包括金属层（1）和介质层（2），其中金属层（1）处于顶层，金属层（1）下层为介质层（2）；金属层（1）中开设有第一矩形空气槽（5）、第二矩形空气槽（6）和工字型空气槽，所述工字型空气槽由相互连通的竖直空气槽（7）、第一水平空气槽（8）、第二水平空气槽（9）、第三水平空气槽（10）和第四水平空气槽（11）组成，其中竖直空气槽（7）的竖向中心线与金属层（1）顶面的竖向中心线重合，第二水平空气槽（9）和第四水平空气槽（11）分别设置于竖直空气槽（7）的顶部两侧且三者的顶部边缘平齐，第一水平空气槽（8）和第三水平空气槽（10）分别设置于竖直空气槽（7）的底部两侧且三者的底部边缘平齐，第一矩形空气槽（5）和第二矩形空气槽（6）分别竖直布置于所述工字型空气槽的两侧，金属层（1）中的所有空气槽沿金属层（1）顶面的竖向中心线镜像对称；所述第三水平空气槽（10）中在介质层（2）表面贴有第一石墨烯纳米嵌入条（3），所述第四水平空气槽（11）中在介质层（2）表面贴有第二石墨烯纳米嵌入条（4）；所述传感器通过加电，改变嵌入空气槽中的第一石墨烯纳米嵌入条（3）和第二石墨烯纳米嵌入条（4）化学势，实现加电前三谐振反射谷到加电后两个谐振反射谷的转换。
2.根据权利要求1所述的一种反射式太赫兹可调折射率传感器，其特征在于所述的第一石墨烯纳米嵌入条（3）的材料为石墨烯，第一石墨烯纳米嵌入条（3）的长度为45~55μm，宽度为18~22μm，高度为0.8~1.2nm。
3.根据权利要求1所述的一种反射式太赫兹可调折射率传感器，其特征在于所述的第二石墨烯纳米嵌入条（4）的材料为石墨烯，第二石墨烯纳米嵌入条（4）的长度为60~70μm，宽度为18~22μm，高度为0.8~1.2nm。
4.根据权利要求1所述的一种反射式太赫兹可调折射率传感器，其特征在于所述的第一矩形空气槽（5）、第二矩形空气槽（6）、竖直空气槽（7）、第一水平空气槽（8）、第二水平空气槽（9）中均填充空气。
5.根据权利要求1所述的一种反射式太赫兹可调折射率传感器，其特征在于所述的第一矩形空气槽（5）和第二矩形空气槽（6）的长度、宽度和高度都相等，长度为145~155μm，宽度为18~22μm，高度为0.2~0.5μm。
6.根据权利要求1所述的一种反射式太赫兹可调折射率传感器，其特征在于所述的竖直空气槽（7）长度为75~85μm，宽度为18~22μm，高度为0.2~0.5μm。
7.根据权利要求1所述的一种反射式太赫兹可调折射率传感器，其特征在于所述的第一水平空气槽（8）和第三水平空气槽（10）的长度、宽度和高度都相等，长度为45~55μm，宽度为18~22μm，高度为0.2~0.5μm。
8.根据权利要求1所述的一种反射式太赫兹可调折射率传感器，其特征在于所述的第二水平空气槽（9）和第四水平空气槽（11）的长度、宽度和高度都相等，长度为60~70μm，宽度为18~22μm，高度为0.2~0.5μm。
9.根据权利要求1所述的一种反射式太赫兹可调折射率传感器，其特征在于所述的金属层（1）材料为铝，长度和宽度均为240~260μm，高度为0.2~0.5μm。
10.根据权利要求1所述的一种反射式太赫兹可调折射率传感器，其特征在于所述的介质层（2）的材料为聚酰亚胺，长度和宽度均为240~260μm，高度为45~55μm。
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