基于石墨烯及其复合结构的光纤磁电传感器件

发布时间：2020-08-27 21:28

【摘要】：光纤是基于全反射原理的光学波导,由于质量轻、抗电磁干扰、抗腐蚀、尺寸小、能够远距离操作以及多线路并用的优点,非常适合用于传感的研究与应用。其中的光纤法布里-珀罗腔传感器则是通过外力作用于反射膜改变腔长来实现传感,其灵敏度高、结构紧凑、稳定性好,在位移和压力传感等领域得到了广泛地应用。石墨烯是一种由碳原子构成的蜂窝状二维材料,也由于其比表面积大、超薄、杨氏模量大、刚度大、密度低等特性,成为极佳的微纳功能材料,已在生物医药、能源、化工、电子、传感等领域得到了应用。本文主要将光纤法布里-珀罗腔结构与石墨烯相结合,取各自优势,分别基于静态干涉和动态石墨烯纳机电系统,实现了对磁场和电流的探测。1.实验上通过切平光纤端面熔接一小段毛细玻璃管再转移石墨烯薄膜,制备出光纤法布里-珀罗腔结构。利用镀膜技术控制镀在光纤端面和侧面的金膜厚度和质量。该金膜既可以用作导电材料,又可以增强石墨烯与衬底作用力,提高器件传感回复性。在高精度三维调节台和钨探针的帮助下,实现了金膜的微加工修饰。2.实验上基于静态干涉的原理实现了对磁场强度的探测。在已制备好的光纤法布里-珀罗腔结构再镀上金膜,该金膜与石墨烯薄膜形成的复合膜组成腔的第二个反射面,再修饰金膜制备出电极。当电流流过的石墨烯-金复合膜时,在磁场作用下产生的安培力使其发生形变,法布里-珀罗腔腔长改变,进而改变干涉光强,可对磁场强度进行传感。该器件的响应线性优良,回复性好,稳定性强,但是检测极限有待改善。3.石墨烯纳机电系统是研究微纳尺寸的石墨烯的机电性能,如其谐振频率对力、电场和温度等的响应,不同环境下的能量耗散行为。基于石墨烯谐振频率对力的敏感特性,分别制备出了电流计和磁力计。利用开发出的紫外胶掩膜镀膜技术对已制备好的光纤法布里-珀罗腔结构进行镀膜,光纤侧面修饰出电极。当电流流过悬空石墨烯,产生的热效应改变了石墨烯的内应力,进而改变了其谐振频率,实现了对电流的传感。该器件灵敏度十分高,但是回复性有待改善。而如果不修饰电极,镀金膜的作用只是为了增强石墨烯与衬底作用力,再转移超顺磁纳米颗粒到悬空石墨烯表面,则制备出磁力计。当有梯度的磁场施加在磁性颗粒上时,产生的作用力改变了石墨烯的谐振频率,实现了对磁场梯度与磁场强度乘积量的传感。该器件响应线性和回复性都非常好。与微型磁场强度传感器配合使用的话,在磁场梯度传感方面有着巨大的应用潜力。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TN253
【图文】：

结构示意图,氢氧根,石英光纤,高吸收

其中Ｚ■是光纤传输长度，Ａ）为入射光功率，ＰＬ为传输后的透射光功率。由于在逡逑长波长范围，光纤内原子有红外吸收峰，因此会在１０００？２０００邋ｎｍ之间出现一个逡逑较低损耗的窗口。如图１．２为为石英光纤在１５５０邋ｍｉｉ附近的损耗光谱［７］，可以看逡逑到存在１３９０邋ｎｍ附近的高吸收峰，这主要因为石英光纤中存在的氢氧根的吸收。逡逑如今的制备工艺已经可以几乎除尽氢氧根，该吸收峰也基本忽略不计。另外由于逡逑制备过程中结构的不均一等因素造成的散射或者吸收，已经随着制备工艺的优化逡逑也可以忽略不计了。逡逑２逡逑

光纤,熔接,光纤端面,高反射膜

有机物两侧涂後高反射膜丨４１丨；＜ｅ＞利用聚焦离子束刻蚀方法在光纤侧面轰击出凹槽丨４２丨；（ｆ）逡逑在熔接有一段毛细玻璃管的光纤端面转移石墨烯薄膜丨２８｜。逡逑光纤法布里－珀罗腔的结构比较多。如图１．３邋（ａ）所示，将光纤切割成三段，逡逑然后在光纤端面涂覆高反射膜，再分别将三根光纤依次熔接在一起，由于折射率逡逑的不同，在两熔接界面之间就形成了干涉腔；图１．３（ｂ）则将光滑光纤端面靠近一逡逑４逡逑

石墨,单层,机电系统,断裂应力

如果将层状结构的石墨反复剥离直至单层，就可以得到所谓的石墨烯。石墨逡逑烯的结构跟上述单层石墨一样。而如果将一小块方正的石墨烯卷起来，使得一对逡逑边的碳原子成搖，就形成了碳纳米管（ＣＮＴ）［４３－４５］，如图１．４（ｆ）所示；如果卷的逡逑更加紧密一点，变成了微球的形状，就形成了富勒烯［４６－４８］，如图１．４（ｇ）所示。逡逑１．３．１石墨烯的性质逡逑石墨烯的机械性能非常优异，主要有四个参数来衡量其性能：杨氏模量￡、逡逑泊松比Ｖ、断裂应力＾＾或断裂应变ｅｉｎｔ、弯曲刚度５。这些参数决定了石墨烯薄逡逑膜对应变和受力如何响应，同时也决定了石墨烯薄膜作为纳机电系统其谐振频率逡逑６逡逑

【相似文献】