基于石墨烯的THz波段高灵敏度SPR气体传感器研究
Study on Graphene Based High Sensitivity SPR Gas Sensor in the THz Band
太赫兹波由于其独特的性质,尤其在生物分子探测、医学成像、气体污染检测领域的研究与应用格外受到青睐.近年来由于石墨烯在太赫兹波段的优良性质加上表面等离子体共振理论和技术的完善与发展,使得太赫兹在传感领域再次焕发生机,利用太赫兹技术进行传感检测可以达到高灵敏、零污染、无危害的目的,为传感领域的发展又注入了一股新思想.本文针对近年来太赫兹传感技术的快速发展和迫切需求,但是对气体传感的研究却鲜有突破的现状,结合表面等离子共振技术与石墨烯技术对如何实现高灵敏的气体传感进行深入的理论研究,并阐述了相关研究结果.当太赫兹波以全反射的方式入射到Otto型装置上时,消逝波与石墨烯表面的等离子体波发生耦合共振,致使反射谱中出现一个能量吸收峰,利用表面等离子体技术可以敏锐地捕捉到气体折射率的微弱变化,并将其放大表现为共振角度的偏移,本文通过参数优化使传感器工作频段可以达到3-6THz,具有较高的宽带性,并创新性地引入磁场对石墨烯介电常进行调控,使传感器的灵敏度增大20倍以上,同时还增加了传感器的宽带可调性.本文主要工作内容及成果如下:1.理论分析表面等离子体共振的激发条件,表明在金属和介质分界面两侧物质的介电常数必须一正一负才能激发表面等离子体共振,而且必须为TM模式的光波.2.引入石墨烯代替金属,详细分析了石墨烯的色散特性.结果表明石墨烯的介电常数除了是电磁波频率的函数,还受外加电场和磁场的双重调制,外加电场通过影响石墨烯的化学势来改变石墨烯的介电常数,磁场的变化会直接导致石墨烯介电常数的改变.更重要的是跟金属在太赫兹波段下虚部已远大于实部而导致的高损耗相比,石墨烯在此波段的性质却恰恰相反,为THz波段SPR传感技术的发展提供了可能.3.基于衰减全反射原理,设计了一种改进的Otto装置,由高折射率棱镜-有机介质层-石墨烯-气体待测物四层结构组成,解决了原始Otto装置的气体间隙层的厚度难以精确控制的难度,石墨烯的加入使得气体传感可以通过SPR传感技术实现,而且能在太赫兹波段下进行操作,使气体传感更加灵敏和安全.4.利用MATLAB软件对该SPR气体传感特性进行仿真研究,探讨气体折射率的高灵敏度探测实现方案.具体分析了有机介质层的厚度、折射率、入射光波频率以及石墨烯化学势和磁场对传感器性能的影响.结果表明传感器的带宽可以达到3-6THz,而且磁场的加入使得其灵敏度增大20倍.
- 作者：
- 张志祥
- 学位授予单位：
- 深圳大学
- 专业名称：
- 无线电物理
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2018年
- 导师姓名：
- 苏红
- 中图分类号：
- TP212
- 关键词：
- 太赫兹；表面等离子体共振；石墨烯；气体传感
- Terahertz; Surface plasmon resonance; Grapheme; Gas sensing;