石墨烯光栅传感器的设计与应用

发布时间：2017-09-30 08:37

  本文关键词：石墨烯光栅传感器的设计与应用

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【摘要】：分子振动谱是传感识别物质性质和特征的重要指纹,广泛应用于化合物分子结构的测定、未知物的鉴定以及混合物成分分析。本文首先设计了基于石墨烯光栅的一维、二维传感器模型,并运用分析光栅的两种常用方法：严格的耦合波分析(Rigorous coupled-wave analysis,RCWA)和时域有限差分法(Finite Difference Time Domain, FDTD)对一维、二维石墨烯光栅进行数值求解仿真,发现：RCWA和FDTD两种方法得到的一阶谐振点与法布里-珀罗理论模型(Fabry-Perot, F-P)结果一致,证明两种方法的正确性和可靠性；增大石墨烯化学势,传感器谐振峰向波长较小方向移动,出现蓝移现象,增大基底折射率、周期、占空比,其谐振峰向波长较大方向偏移,出现红移现象；在谐振峰之外,存在着较宽的透射带宽,可用做传感器实现分子的检测识别；模型结构参数的灵活可调特性方便该传感器在工程实际应用中灵活调节透射带宽,实现传感器工作波长的动态调节,达到一个传感器多用的目的,减少投入成本,提高经济效益,实现绿色可持续发展。以乙酸酐、甲醇、苯、甲苯为例作为待测分子加入待测区域,我们发现传感器透射谱与分子振动吸收谱变化一致,分子吸收越强,其透射系数越小,表明石墨烯光栅传感器能够直观的检测识别待测分子,对一维石墨烯光栅传感器而言,与未加入检测分子相比,样品厚度为1μm时,仿真结果表明,乙酸酐、甲醇、苯、甲苯透射系数分别减小了79%、56%、51%、41%；同时,我们还仿真了待测样品厚度对透射谱的影响,结果表明,待测样品厚度对透射谱的形状几乎没有影响,透射谱对待测样品的厚度不敏感,传感器的鲁棒性好；此外,我们研究了不同结构参数对乙酸酐分子检测的影响,结果表明,不同的结构参数组合可实现对乙酸酐的检测,再次证明了该传感器具有灵活可调的特性,这为实际应用中合理调节结构参数实现不同波段范围的分子检测识别提供了可能。
【关键词】：石墨烯 光栅 传感器 透射谱 分子振动谱
【学位授予单位】：云南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O613.71;TP212
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-13
• 1.1 选题背景8-9
• 1.2 国内外研究现状9-10
• 1.3 本文的主要工作和内容安排10-12
• 1.3.1 本文的主要工作11
• 1.3.2 论文结构和内容安排11-12
• 1.4 本文的创新点12-13
• 第二章 石墨烯及光栅分析方法简介13-24
• 2.1 石墨烯的发现历程13-14
• 2.2 石墨烯的性质14-16
• 2.3 石墨烯电学模型16-18
• 2.4 光栅结构的分析方法18-23
• 2.4.1 光栅简介18
• 2.4.2 严格耦合波分析方法(Rigorous coupled-wave analysis,RCWA)18-20
• 2.4.3 时域有限差分法(Finite Difference Time Domain,FDTD)20-23
• 2.5 本章小结23-24
• 第三章 一维石墨烯光栅分子谱传感器24-38
• 3.1 一维石墨烯光栅传感器模型24-25
• 3.2 化学势对谐振峰的影响25-27
• 3.3 周期对谐振峰的影响27-28
• 3.4 基底对谐振峰的影响28-30
• 3.5 占空比对谐振峰的影响30-31
• 3.6 对几种分子的检测识别31-34
• 3.7 待测样品厚度对透射谱的影响34-35
• 3.8 传感器的灵活可调特性35-36
• 3.9 本章小结36-38
• 第四章 二维石墨烯光栅分子谱传感器38-49
• 4.1 二维石墨烯光栅分子谱传感器模型38
• 4.2 化学势对谐振峰的影响38-40
• 4.3 周期对谐振峰的影响40-41
• 4.4 基底折射率对谐振峰的影响41-42
• 4.5 占空比对谐振峰的影响42-44
• 4.6 对几种分子的检测和识别44-45
• 4.7 待测样品厚度对透射谱的影响45-46
• 4.8 传感器的灵活可调特性46-47
• 4.9 本章小结47-49
• 第五章 总结与展望49-51
• 5.1 总结49-50
• 5.2 下一步工作建议50-51
• 参考文献51-56
• 攻读硕士期间完成的科研成果56-57
• 致谢57

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