[實(shí)用新型]基于石墨烯的雙層耦合型法諾共振傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201820011050.3
• 申請日: 2018-01-04
• 公開（公告）號: CN207675643U
• 公開（公告）日: 2018-07-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖丙剛;宮紹康
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計(jì)量大學(xué)
• 主分類號: G01N21/552
• 分類號: G01N21/552
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• 代理人: 暫無信息

本實(shí)用新型公開了一種基于石墨烯的雙層耦合型法諾共振傳感器，屬于中紅外技術(shù)領(lǐng)域的傳感器件，利用了石墨烯表面等離子體特性；該傳感器件為三維周期性結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)組成為：硅基底層，二氧化硅襯底層，石墨烯圓盤中間層，二氧化硅隔離層，石墨烯圓盤頂層；本實(shí)用新型主要通過有限元方法計(jì)算模擬出中紅外波段基于石墨烯的雙層耦合型法諾共振傳感器的透射光譜，對傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，能夠在中紅外頻段激發(fā)出高性能法諾共振，諧振曲線對物質(zhì)折射率變化敏感，具有在中紅外頻段進(jìn)行對氣體和液體的探測功能。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單、緊湊合理，便于加工。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種基于石墨烯的雙層耦合型法諾共振傳感器，屬于石墨烯材料在中紅外波段傳感器件應(yīng)用領(lǐng)域。

背景技術(shù)

法諾共振于1961年由烏戈·法諾發(fā)現(xiàn)，它的光譜表現(xiàn)出典型的非對稱線形共振。法諾共振可以在電介質(zhì)和等離子體激元系統(tǒng)被容易地觀察到，由于它在寬范圍從微波到光范圍延伸電磁頻譜的潛在應(yīng)用，已經(jīng)獲得了廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)的洛倫茲共振不同，法諾共振在光譜上表現(xiàn)出的分散和非對稱的線形，在制作映射領(lǐng)域器件具有巨大的潛力，比如傳感器、慢光裝置、等離激元切換器等等。從物理原理上講，法諾共振非對稱線型產(chǎn)生的原因是離散狀態(tài)與連續(xù)狀態(tài)的破壞性干涉引起的。近幾年，在一些等離子體納米結(jié)構(gòu)中觀察到法諾共振。在這樣的等離激元納米結(jié)構(gòu)中，法諾共振起源于兩種電磁模式的耦合，被稱為寬帶超輻射和窄帶亞輻射等離子體模式。通常，兩種電磁模式分別表征為偶極和高階等離子體模式。與簡單的偶極子模式相比，基于非對稱法諾共振的等離子體激元器件具有窄的線寬和大的局部近場增強(qiáng)，可用于折射率檢測，激光，濾光器和慢光器件。

中紅外的頻率主要是15～150THz(2μm～20μm)范圍的光譜，中紅外光譜在環(huán)境監(jiān)測，傳感和天文檢測等各個(gè)領(lǐng)域具有非常巨大的潛力，因?yàn)樵S多材料的指紋落在該光譜區(qū)域。尤其是在傳感領(lǐng)域，很多分子指紋分布在中紅外波段內(nèi)，這些分子指紋可以通過傳感器非常精準(zhǔn)地判斷出來，這種特性讓中紅外波段傳感器在近幾年受到廣泛的關(guān)注。但是，傳統(tǒng)的傳感器一般運(yùn)用金屬和半導(dǎo)體材料，具有較大的歐姆和輻射損耗，性能會受到嚴(yán)重的損耗，質(zhì)量因子和靈敏度普遍較低。為了在中紅外區(qū)域減少的損耗，等離子體激元共振(PFR)應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)出高質(zhì)量因子。該特征對于表面增強(qiáng)紅外吸收(SEIRA)具有很強(qiáng)的作用，由于中紅外指紋區(qū)域中的材料特異性振動吸收，可以提供分子信息。而法諾共振作為等離子體激元中一種共振形式，在中紅外波段表現(xiàn)出了超高質(zhì)量因子和高靈敏度，這表明了其在傳感領(lǐng)域具有巨大的潛力。

由于石墨烯具有很高的電子遷移率、可調(diào)和對稱的費(fèi)米能級等特性，可以通過摻雜的手段來改變石墨烯的費(fèi)米能級，從而改變石墨烯的性質(zhì)。本傳感器通過摻雜調(diào)整兩層石墨烯的費(fèi)米能級，可以很容易地實(shí)現(xiàn)明顯的光譜偏移，使得光學(xué)共振與分子振動指紋重疊。同時(shí)，可以通過兩層石墨烯之間的近場耦合進(jìn)一步增強(qiáng)諧振強(qiáng)度，可以提高法諾共振的靈敏度與傳感特性。作為新型的石墨烯材料，其加工技術(shù)也得到了廣大科研工作者的研究變得日趨的成熟，最常用的加工技術(shù)是CVD法。因此本實(shí)用新型具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，在中紅外傳感領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用中也有著一定的前景。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、能夠在中紅外波段方便地激發(fā)高性能法諾諧振的基于石墨烯的雙層耦合型法諾共振傳感器。

考慮到了結(jié)構(gòu)難易等要求，本實(shí)用新型提出了一種基于石墨烯的雙層耦合型法諾共振傳感器，為基于石墨烯等離子體激元結(jié)構(gòu)的可調(diào)和高靈敏度傳感器的發(fā)展提供了重要的幫助。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為：一種基于石墨烯的雙層耦合型法諾共振傳感器，該傳感器為三維周期性結(jié)構(gòu)，采用兩層尺寸與結(jié)構(gòu)相同的石墨烯圓盤進(jìn)行耦合用于增強(qiáng)諧振；其特征在于：結(jié)構(gòu)組成自下而上分別為一層硅基底層，一層二氧化硅襯底層，兩層相同尺寸與結(jié)構(gòu)的石墨烯圓盤以二氧化硅隔離層隔開；在石墨烯圓盤上刻蝕具有偏移的圓形刻孔。