CN109164051A - 一种石墨烯内嵌的回音壁微球腔单分子气体传感器 - Google Patents

一种石墨烯内嵌的回音壁微球腔单分子气体传感器 Download PDF

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Abstract

本发明属于传感领域，具体涉及一种石墨烯内嵌的回音壁微球腔单分子气体传感器，基于石墨烯奇异点。本发明通过微球上的金电极有效减小微球的模式体积，大量减少了谐振模式数量，依靠石墨烯的物理吸附和电可调费米能级的特性，通过电调控超材料石墨烯可以精确的控制微球腔工作在奇异点，提高传感响应速度和灵敏度，同时品质因数高的谐振腔能大幅度的降低传感功耗：响应时间仅为电化学气体传感器的千分之一，灵敏度可达传统光学气体传感器的10000倍以上，传感功耗低至70纳瓦。采用普通单模光纤的接头，能方便的接入光纤通信网络。本发明在保证传感器体积小、结构简单和响应快速的基础上，实现了传感灵敏度达到单分子量级，具有更低的传感功耗。

Description

一种石墨烯内嵌的回音壁微球腔单分子气体传感器
技术领域
本发明属于传感领域，具体涉及一种石墨烯内嵌的回音壁微球腔单分子气体传感器，基于石墨烯奇异点，可实现通过检测透射光谱模式劈裂宽度来传感气体的浓度。
背景技术
随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视，对各种有毒、有害气体的探测，对大气污染、工业废气的监测以及对食品和居住环境质量的检测都对气体传感器提出了更高的要求。纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件。高性能的气体传感器能大大提高信息采集、处理、深加工水平，提高实时预测事故的准确性，不断消除事故隐患，大幅度减少事故特别是重大事故的发生。能有效实现安全监察和安全生产监督管理的电子化，变被动救灾为主动防灾，使安全生产向科学化管理迈进。
目前气体传感器主要有电化学气体传感器和光学气体传感器。传统的电化学气体传感器一般都是通过化学电解的方法来实现用电解电流强度对生化分子的传感，这种气体传感方式虽然比较成熟可靠，但其缺点也十分明显：依赖于化学反应、耗能高、体积大、***复杂、抗电磁干扰能力弱、有很强的气体选择性、传感灵敏度不高。而近年来发展的一批基于MEMOS技术的电学传感器，在体积、能耗、灵敏度等方面虽然实现了很大的突破，但仍然没有解决其响应速度慢、***复杂、抗电磁干扰能力弱等问题。
基于光纤传感技术的光学气体传感器能基本解决上述电学气体传感器的缺点，其相比于传统的电化学气体传感器来说，具有结构简单、尺寸微小、响应速度快以及抗电磁干扰等优点，但目前已经被报道的光学气体传感器传感灵敏度最高也只能达到ppb量级，而且其传感功耗(微瓦量级)虽然远低于传统电化学气体传感器，但是仍然较高。至今为止，尚没有一款传感灵敏度能够达到单分子量级，传感功耗在纳瓦量级的光学气体传感器。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决在保证传感器具有体积小、结构简单、响应快速等优点的基础上，实现传感灵敏度达到单分子量级，更低传感功耗的光学生化分子传感器，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，传感功耗相对较高的光学气体传感器。本发明提供了一种石墨烯内嵌的回音壁微球腔单分子气体传感器。
本发明采用如下技术方案：
一种石墨烯内嵌的回音壁微球腔单分子气体传感器，基于石墨烯奇异点，包括二氧化硅微球、单层石墨烯和微纳光纤。
所述二氧化硅微球是通过光纤制备而成，二氧化硅微球与光钎连接端和与其相对应的球体另一端均设置有金电极，两金电极关于微纳光纤与球体耦合的切面对称，单层石墨烯贴附于球体上的两金电极之间,两金电极的间距为微球直径D的1/3～1/2。
所述微纳光纤与制备二氧化硅微球的光纤相垂直贴附于二氧化硅微球两金电极间的球面中线处，实现与微球腔的光耦合，并用以输入和输出信号。
沿微纳光纤传播的光信号满足微球的谐振条件时，会耦合到微球谐振腔中，且该谐振条件受表面贴附的石墨烯层影响，调节两个金电极之间的电压以将该微球腔控制在简并异常点上，当石墨烯表面吸附气体分子时，简并状态被破环，简并模式发生劈裂。
同时整个气体传感器的两端都是采用普通单模光纤接头，所以整个结构可以很方便的直接接入由单模光纤构成的光路。
进一步的，所述二氧化硅微球是普通的单模光纤通过光纤熔接机制备而成，通过控制放电强度为150-250毫安，单次放电时间3-6秒进行电弧放电2-5次以得到200-400微米直径的微球，制备的微球腔品质因数达3千万以上。
微球回音壁谐振腔，是一种球体结构的微腔，是目前已知的光学谐振腔中品质因数最高的光学谐振腔，这种超高品质因数微腔的实现，不仅与材料自身的损耗系数较小有关，也与制备过程中玻璃材料受热熔融，在表面张力作用下自然形成球状结构后拥有非常光滑的表面从而具有很小的散射损耗有关。
单层石墨烯，是一种厚度为0.38nm的薄膜材料，是目前已报道的表面积/体积比最大的薄膜材料，石墨烯的电可调特性能够让我们精确的控制微球腔工作在奇异点位置，同时其原子间化学键和核外电子态对周围环境极其敏感，微量的分子吸附都能有效影响其介电常数分布，调节有效折射率，实现单分子量级的光学气体传感。
微纳光纤，其纤芯直径与传导波波长在同一数量级，光以倏逝场形式沿微光纤传播，易于与光学谐振腔发生高效率耦合。
本发明的工作机理是：通过二氧化硅单模光纤将扫描激光信号从一侧注入微纳光纤；在微纳光纤区域，由于微球回音壁谐振腔与微纳光纤接触耦合，通过调节两金电极之间的电压，以精确的控制微球回音壁谐振腔工作在简并奇异点上，当外界微量气体分子靠近/贴附传感器时，受单层石墨烯的分子吸附作用，石墨烯的介电常数发生改变，该简并奇异点的简并性被破环，简并模式分离，将传感器输出信号送入光功率计解调，形成“模式劈裂宽度-气体分子浓度”对应关系，实现气体传感，其灵敏度高。
与现有技术相比，本发明使用全新的传感机理，结合了光学、超材料学科和微纳加工的先进技术，微球上金电极有效的减小了微球的模式体积，大量减少了谐振模式数量，依靠石墨烯的物理吸附和电可调费米能级的特性，通过电调控超材料石墨烯可以精确的控制微球腔工作在奇异点，这极大的提高了传感响应速度和灵敏度，同时品质因数高的谐振腔能大幅度的降低传感功耗：响应时间仅为电化学气体传感器的千分之一，灵敏度可达传统光学气体传感器的10000倍以上，传感功耗低至70纳瓦。同时两端采用普通单模光纤的接头，能很方便的接入现有的光纤通信网络。
综上所述，本发明在保证传感器体积小、结构简单和响应快速的基础上，实现了传感灵敏度达到单分子量级，具有更低的传感功耗。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图；
图2是本发明传感部分结构细节图；
图3是实施例的测试***图；
图4是石墨烯实现异常点的机理；
图5a为实施例未吸附气体分子异常点的光谱，b为实施例气体吸附模式劈裂光谱；
附图标记：微球-(1)，金电极-(2，3)石墨烯-(4)，微纳光纤-(5)，扫描激光器-(6)，功率计-(7)，充有待测气体的气室-(8)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
一种石墨烯内嵌的回音壁微球腔单分子气体传感器，基于石墨烯奇异点，由微纳光纤、单层石墨烯和二氧化硅微球组成。
微纳光纤长为4厘米，直径为2微米；微球直径为280微米，分别镀有厚度为30纳米的两金电极，两个金电极之间间隔100微米，贴附有一片长120微米、宽80微米、厚度0.38nm的单层石墨烯薄膜，整个器件通过单模光纤接入光路***(图3)。微纳光纤实现与微球腔的高效耦合，耦合效率高达95％。
通过在石墨烯上施加外加电压让谐振腔进入简并奇异点，施加的电压为26伏特，奇异点位置为1555.920纳米；在奇异点附近输出功率为70纳瓦，对极性气体分子的传感灵敏度为530kHz/分子；同时整个传感***两端都是采用普通单模光纤接头，所以整个结构可以很方便的直接接入由单模光纤构成的光路。
结合图1所示，将普通单模光纤通过光纤熔接机电弧放电得到直径为280微米的微球(1)。沿微纳光纤(5)传播的光信号满足微球的谐振条件时，会耦合到微球谐振腔中，且该谐振条件受表面贴附的石墨烯层(4)影响，调节两个金电极(2，3)之间的电压为26伏特可以将该微球腔精确的控制在简并异常点上，当石墨烯表面吸附气体分子时，简并状态被破环，简并模式发生劈裂。
采用的二氧化硅微球是普通的单模光纤通过光纤熔接机以放电强度为200毫安，单次放电时间5秒进行电弧放电3次得到的，其直径为280微米，腔品质因数为3千万。
所采用的金电极通过镀金仪对微球进行真空喷镀30秒制得，两电极之间间距为100微米，厚度为30纳米，镀金后微球的谐振模式数量为2。
本发明的工作过程为：通过纤芯为8微米的普通二氧化硅单模光纤将扫频范围为1555～1556纳米的扫频激光信号从一侧注入微纳光纤。在微纳光纤区域，由于其直径仅为2微米，直径为280微米的微球回音壁谐振腔与微纳光纤接触耦合，其耦合效率可达95％以上，通过调节两金电极之间的电压，可以精确的控制微球回音壁谐振腔工作在简并奇异点上，当外界微量气体分子靠近/贴附传感器时，受单层石墨烯的分子吸附作用，石墨烯的介电常数发生改变，该简并奇异点得简并性被破环，简并模式分离，将传感器输出信号送入功率计解调，形成“模式劈裂宽度-气体分子浓度”对应关系，实现气体传感，其灵敏度高达530kHz/分子。
在实验中，将石墨烯内嵌的回音壁微球腔单分子气体传感器接入图3所示的***中，由扫描激光器(6)输出扫描速度为10nm/s，扫描步长为0.1皮米的扫描激光，满足微球耦合条件的光波通过微纳光纤后耦合进入微球回音壁腔(1)，其微纳光纤的透射光信号被功率计(7)接收。整个传感器置于充有待测气体的气室中(8)。
在实际传感应用中，其工作过程为：外界气体分子由于石墨烯的吸附作用，被吸附在石墨烯薄膜表面，显著改变石墨烯层(4)的介电常数，石墨烯有效折射率发生变化，简并异常点得简并状态被破环，简并模式发生劈裂，从而影响微纳光纤(5)的透射光谱。通过检测该光谱的异常点模式劈裂宽度，即可以判断传感气体分子浓度。
一种石墨烯内嵌的回音壁微球腔单分子气体传感器，其有效长度小于1毫米，在异常点激励的光功率约70nW，传感精度可达单分子量级，并可以直接接入现有的光纤通信***，组成传感网络。
综上可见，本发明在保证传感器体积小、结构简单和响应快速的基础上，实现了传感灵敏度达到单分子量级，具有更低的传感功耗。

Claims (3)

1.一种石墨烯内嵌的回音壁微球腔单分子气体传感器，包括二氧化硅微球、单层石墨烯和微纳光纤，其特征在于：
所述二氧化硅微球是通过光纤制备而成，二氧化硅微球与光钎连接端和与其相对应的球体另一端均设置有电极，两电极关于微纳光纤与球体耦合的切面对称，单层石墨烯贴附于球体上的两电极之间,两金电极的间距为微球直径D的1/3～1/2；
所述微纳光纤与制备二氧化硅微球的光纤相垂直贴附于二氧化硅微球两电极间的球面中线处，实现与微球腔的光耦合，并用以输入和输出信号；
沿微纳光纤传播的光信号满足微球的谐振条件时，耦合到微球谐振腔中，且该谐振条件受表面贴附的石墨烯层影响，调节两个电极之间的电压以将该微球腔控制在简并异常点上，当石墨烯表面吸附气体分子时，简并状态被破环，简并模式发生劈裂。
2.如权利要求1所述回音壁微球腔单分子气体传感器，其特征在于：
所述二氧化硅微球是普通的单模光纤通过光纤熔接机制备而成，通过控制放电强度为150-250毫安，单次放电时间3-6秒进行电弧放电2-5次以得到200-400微米直径的微球，制备的微球腔品质因数达3千万以上。
3.如权利要求1所述回音壁微球腔单分子气体传感器的工作流程，具体如下：
通过二氧化硅单模光纤将扫描激光信号从一侧注入微纳光纤；在微纳光纤区域，由于微球回音壁谐振腔与微纳光纤接触耦合，通过调节两金电极之间的电压，以精确的控制微球回音壁谐振腔工作在简并奇异点上，当外界微量气体分子靠近/贴附传感器时，受单层石墨烯的分子吸附作用，石墨烯的介电常数发生改变，该简并奇异点的简并性被破环，简并模式分离，将传感器输出信号送入功率计解调，形成模式劈裂宽度-气体分子浓度对应关系，实现气体传感。
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