CN111693494A - 一种基于CNTs超表面的THz波传感器、制备方法及其用途 - Google Patents

一种基于CNTs超表面的THz波传感器、制备方法及其用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CNTs超表面的THz波传感器，包括衬底，衬底上覆盖有薄膜层，薄膜层上刻蚀有矩形孔阵结构，薄膜层上覆盖有封装层。具有二维周期性对称矩形孔阵结构，结构简单，方便加工；工艺简单，易于实现；用于检测农药残留量，检测方法简单，检测精度高且具有良好的可靠性、稳定性，最低灵敏度为2.0×10‑3/ppm，误差为0.13％。

Description

一种基于CNTs超表面的THz波传感器、制备方法及其用途
技术领域
本发明属于检测器技术领域，涉及一种基于CNTs超表面的THz波传感器，还涉及上述传感器的制备方法，还涉及上述传感器的用途。
背景技术
当前，农药的过度使用，致使农业产品的农药残留问题日益严重。农产品中残留的农药已对人类健康和生物多样性构成威胁。科学研究表明，果蔬中残留农药在人体内长期蓄积滞留会引起慢性中毒，给人体健康带来潜在威胁，以至诱发许多慢性疾病。
目前常用的农药检测方法有免疫分析技术、仪器分析技术和光谱分析技术。免疫分析技术包括酶免疫技术、放射免疫技术和金免疫技术，特异性高，具有较高的反应灵敏度，但存在前期设备投入较大、费用高，检测可能出现假阳性，适用范围有限等缺点。仪器分析技术包括气相色谱法、高效液相色谱法、气相色谱—质谱法和液相色谱—质谱法，其分析能力强，检测范围广，检测结果稳定可靠，灵敏度高，重现性好，已发展成熟并形成一定行业标准，但其设备昂贵，前处理步骤和检测过程繁杂，分析时间较长，特异性不明显，需要专业操作人员辅助才能完成检测，不利于实现农药残留的快速现场检测。光谱分析技术包括高光谱成像，红外光谱，荧光光谱等。高光谱成像和红外光谱法仅适用于较高浓度的农药检测，对于微量农药残留的检测效果不佳；因一些农药不具有荧光特性，荧光光谱法的适用范围也受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于CNTs超表面的THz波传感器，解决了现有技术中存在的检测精度低的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于CNTs超表面的THz波传感器，包括衬底，衬底上覆盖有薄膜层，薄膜层上刻蚀有矩形孔阵结构，薄膜层上覆盖有封装层。
本发明的另一目的是提供一种基于CNTs超表面的THz波传感器的制备方法。
本发明所采用的另一种技术方案是，一种基于CNTs超表面的THz波传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在衬底上垂直生长CNTs阵列；
步骤2、从CNTs阵列上拉出超有序排列CNTs薄膜；
步骤3、将CNTs薄膜转移至衬底上；
步骤4、重复步骤2-3，将多层CNTs薄膜叠加得到薄膜层；
步骤5、在薄膜层进行表面平整修饰上压合封装层；
步骤6、在封装层上切割窗口；
步骤7、在薄膜层上刻蚀矩形孔阵结构，得到THz波传感器。
本发明的特点还在于：
步骤2的拉膜过程中，拉出速度为8～10m/min。
薄膜层包括40～100层超有序排列CNTs薄膜。
矩形孔阵结构的长度为80～150μm，宽度为15-35μm，周期为200～300μm。
本发明的第三个目的是提供一种基于CNTs超表面的THz波传感器的用途。
本发明所采用的第三种技术方案是，一种基于CNTs超表面的THz波传感器的用途，用于检测残留农药。
THz波传感器的检测浓度范围为1～80ppm。
本发明的有益效果是：
本发明基于CNTs超表面的THz波传感器，具有二维周期性对称矩形孔阵结构，结构简单，方便加工；本发明基于CNTs超表面的THz波传感器的制备方法，工艺简单，易于实现；本发明基于CNTs超表面的THz波传感器的用途，用于检测农药残留量，检测方法简单，检测精度高且具有良好的可靠性、稳定性，最低灵敏度为2.0×10-3/ppm，误差为0.13％。
附图说明
图1是本发明一种基于CNTs超表面的THz波传感器的结构示意图；
图2是本发明一种基于CNTs超表面的THz波传感器的侧视图；
图3是本发明一种基于CNTs超表面的THz波传感器制备方法的流程图；
图4是本发明一种基于CNTs超表面的THz波传感器用途的Fano共振拟合结果及实验结果；
图5是本发明一种基于CNTs超表面的THz波传感器用途的检测结果图。
图中，1.衬底，2.薄膜层，3.矩形孔阵结构，4.封装层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种基于CNTs(碳纳米管)超表面的THz波传感器，如图1及图2所示，包括衬底1，衬底1上覆盖有薄膜层2，薄膜层2上刻蚀有矩形孔阵结构3，薄膜层2上覆盖有封装层4。
一种基于CNTs超表面的THz波传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在衬底1上垂直生长CNTs阵列；
步骤2、在CNTs阵列的侧壁上拉出超有序排列CNTs薄膜，拉出速度为8～10m/min；
步骤3、将CNTs薄膜转移至衬底1上；
步骤4、重复步骤2-3，将多层CNTs薄膜依次叠加得到薄膜层2，薄膜层2包括40～100层超有序排列CNTs薄膜；
步骤5、在薄膜层2进行表面平整修饰上压合封装层4；
步骤6、利用激光刻蚀技术在封装层4上切割窗口，窗口面积为0.6～0.8cm2，激光功率为15～25W；
步骤7、在薄膜层2上刻蚀二维周期性对称矩形孔阵结构3，为CNTs超表面提供了共振模式；具有二维周期性对称矩形孔阵结构3的CNTs超表面在入射电磁波的照射下将在表面处产生表面等离子激元，在透射光谱上表现为增强共振峰；在矩形孔中置入不同检测物可以改变共振峰特性；矩形孔阵结构3的长度为80～150μm，宽度为15-35μm，周期为200～300μm。
本发明采用THz时域光谱***对THz波传感器的性能进行表征和测试，如图3所示，在太赫兹波传感器的透射光谱中观察到两个增强共振峰，分别位于0.87THz和1.62THz，与Fano共振一阶和二阶模式的共振峰位置相吻和，是由THz波传感器表面等离子体共振引起的，结合SPPs色散关系和Fano模型很好地解释了透射共振峰机理。
采用基于CNTs超表面的THz波传感器的制备方法制得的THz波传感器的用途，用于检测残留农药。
利用本发明的THz波传感器检测不同浓度梯度的农药溶液，测试所用太赫兹时域光谱实验***为透射方式，检测的农药溶液浓度范围为1～80ppm。
如图4所示，农药溶液的透射峰值是其浓度的线性函数，当农药溶液浓度从1ppm增加到10ppm时，透射共振峰振幅略有增加，其归一化振幅变化幅度为20％，回归系数为0.9036，灵敏度为1.38×10-2/ppm；当浓度从10ppm增加到80ppm时，透射共振峰振幅急剧下降，其归一化振幅变化幅度为25％，回归系数为0.9012，传感器的灵敏度3.0×10-3/ppm。
本发明的THz波传感器检测农药的原理如下：当电磁波入射在THz波传感器表面上时，单元结构界面将产生表面等离子体激元，可以将一个特定偏振入射的THz波耦合到碳纳米管微结构上，出现透射增强现象，在透射光谱中出现增强共振峰。这一增强共振峰对THz波传感器表面处的介电环境十分敏感，进而表现为THz波传感器对农药浓度的变化高度敏感。随着农药溶液浓度的增加，透射幅值呈现规律性变化，从而实现对不同浓度梯度的农药溶液的检测。
当农药溶液浓度从1ppm增加到10ppm时，CNTs薄膜和农药溶液形成了等效抗反射薄膜，导致THz波入射时，透射共振峰振幅略有增加。
当浓度从10ppm增加到80ppm时，在此浓度范围内，由于薄膜有效厚度的增加导致了对太赫兹波的大量吸收，使透射共振峰振幅急剧下降。
本发明THz波传感器对农药浓度的变化高度敏感，本质上是由于薄膜折射率与介电常数密切相关，检测时，不同浓度的农药溶液其折射率不同，改变了超表面结构周围的介电环境，进而影响到整体结构对入射THz波的响应。
通过以上方式，本发明基于CNTs超表面的THz波传感器，具有二维周期性对称矩形孔阵结构，结构简单，方便加工；本发明基于CNTs超表面的THz波传感器的制备方法，工艺简单，易于实现；本发明基于CNTs超表面的THz波传感器的用途，用于检测农药残留量，检测方法简单，检测精度高且具有良好的可靠性、稳定性，最低灵敏度为2.0×10-3/ppm，误差为0.13％。

Claims (7)

1.一种基于CNTs超表面的THz波传感器，其特征在于，包括衬底(1)，所述衬底(1)上覆盖有薄膜层(2)，所述薄膜层(2)上刻蚀有矩形孔阵结构(3)，所述薄膜层(2)上覆盖有封装层(4)。
2.一种基于CNTs超表面的THz波传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在衬底(1)上垂直生长CNTs阵列；
步骤2、在所述CNTs阵列上拉出超有序排列CNTs薄膜；
步骤3、将所述CNTs薄膜转移至衬底(1)上；
步骤4、重复步骤2-3，将多层CNTs薄膜叠加得到薄膜层(2)；
步骤5、在所述薄膜层(2)进行表面平整修饰上压合封装层(4)；
步骤6、在所述封装层(4)上切割窗口；
步骤7、在所述薄膜层(2)上刻蚀矩形孔阵结构(3)，得到THz波传感器。
3.如权利要求2所述的一种基于CNTs超表面的THz波传感器的制备方法，其特征在于，步骤2所述的拉膜过程中，拉出速度为8～10m/min。
4.如权利要求2所述的一种基于CNTs超表面的THz波传感器的制备方法，其特征在于，所述薄膜层(2)包括40～100层超有序排列CNTs薄膜。
5.如权利要求2所述的一种基于CNTs超表面的THz波传感器的制备方法，其特征在于，所述矩形孔阵结构(3)的长度为80～150μm，宽度为15-35μm，周期为200～300μm。
6.采用权利要求2-5任意一项所述的制备方法制得的THz波传感器的用途，其特征在于，用于检测残留农药。
7.采用权利要求6任意一项所述的基于CNTs超表面的THz波传感器的制备方法制得的THz波传感器的用途，其特征在于，所述THz波传感器的检测浓度范围为1～80ppm。
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