科普專欄 / Information

利用石墨烯設計等離子體傳感器

據麥姆斯咨詢報道,中國計量大學的科學家利用石墨烯的等離子體可檢測不同波長的特性設計出一款紅外傳感器(詳見光學期刊Opt. Mater. Express,doi:10.1364/OME.9.000035)。這款小型可調傳感器有朝一日将用于檢測病原體、微量氣體或其他物質。

探索石墨烯和等離子體子

許多利用納米級傳感器設計的實驗探索到了表面等離子體激元(SPP,由光激發的電磁表面波)的可能性。感測介質的折射率發生微小變化,表面等離子體共振會發生明顯的偏移。

SPP實驗通常使用貴金屬作為等離子體表面,但是這些材料隻對可見光發生響應。以前采用圖形化超材料設計的傳感器隻能在固定的時間測量特定的頻率。

位于杭州的中國計量大學的研究小組将思路轉向了石墨烯。因為石墨烯與紅外光相互作用良好,研究小組還提出了在氟化鈣介電襯底上采用石墨烯作為等離子體材料的設計。利用計算機模拟,科學家們發現如果石墨烯形成半徑為40nm的圓盤,其中每個圓盤的晶體結構中都包含一個小的偏心圓形缺陷,将會發生什麼?石墨烯圓盤頂部的離子凝膠層會向裝置提供偏置電壓。

一款由納米級石墨烯圓盤陣列構成的新型傳感器,每個圓盤有一個偏心孔,能夠同時檢測兩種物質(紅球)。這些圓盤位于離子凝膠(圖中綠色部分)和氟化鈣(圖中深粉色部分)之間,用于向傳感器施加電壓并幫助産生SPP。

缺陷引入方式

缺陷的存在激發了一種被稱為等離子體雜交的現象,這種現象往往在中紅外光譜中産生雙波段共振峰。在X-Y平面移動圓盤内缺陷的位置并測量由此産生的透射光譜變化,表明該陣列是偏振敏感的。科學家可以通過調整外加電壓來改變傳感器的靈敏度,從而檢測不同物質。

将傳感器置于目标物質附近,傳感器的折射率會發生改變,從而對探測信号進行标記。中國計量大學研究小組報告說,他們設計的傳感器靈敏度達到了550 cm–1 /RIU。

來自中國浙江理工大學和丹麥理工大學的研究人員也參與了這項研究。

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