CN111693494B - 一种基于CNTs超表面的THz波传感器、制备方法及其用途 - Google Patents
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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
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 (3)
1.一种基于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;步骤2所述的拉膜过程中,拉出速度为8~10m/min;所述薄膜层(2)包括40~100层超有序排列CNTs薄膜;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。
2.采用权利要求1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。
3.采用权利要求2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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