可调谐正弦结构石墨烯表面等离子体共振传感器
发布时间：2021-06-07 06:57
表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）描述的是一种光学现象,即使用光源照射金属表面时,光子和金属表面上存在的自电子在一定条件下会沿其表面相互作用而产生密集的振荡效果,这种效果一般在金属薄膜边界处产生。然而,传统金属的电磁特性很难改变,难以实现对等离子体激元的调控。相比于常规贵金属而言,石墨烯具有较低的光损耗、较强的束缚性及动态可调性等优点。因此,石墨烯表面等离子体共振传感器的相关研究成为近年来的热点。通过使用石墨烯作为检测层,可以大幅提高SPR传感器的灵敏度。然而,石墨烯中的边缘效应和能够调谐SPR的范围过窄等问题限制了它在光学和光电应用中的使用,且石墨烯材料在此类模式下结构固定,导致它的共振波长也是固定的。虽然有研究者发现石墨烯的机械起皱可用于产生不同的表面结构,同时保持操作可逆性,但尚未有人探索将这种褶皱的石墨烯结构应用于结构可重构的SPR传感器之中。在本研究中,首先根据石墨烯优秀的光学特性使用其替代金属作为SPR的激发材料,提出了一种连续褶皱结构的石墨烯薄膜进行传感的SPR传感器,褶皱的添加有效地激发出强等离子体共振。通过计算机仿真模拟将光...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
表面等离子体光栅耦合器的结构
第1章绪论-7-1.3.3棱镜耦合SPR传感1968年，Kretschmann和Otto引入了使用棱镜耦合器的表面等离子体激元激发[21]。基于Kretschmann结构的棱镜联轴器已经成为一种标准技术，可以激发表面等离子体的对准简单性，从而易于控制参数和变量[22]。Kretschmann棱镜模型是一种最为简单的且能够有效激发SPR效应的装置，如图1-4所示，它由石英棱镜、金属薄膜、环境介质三部分组成，图1-4使用Kretschmann配置的棱镜耦合引起SPR的激发其基本原理是使用横磁(TM)波(k)通过高RI棱镜将表面等离子体在光滑的金属感测纳米膜(εM)的表面激发，在特定的入射角(θ)时，其RI大于介质的RI(即nP>nD)。棱镜耦合器结构的共振条件描述如下：xspk=(1-6)MDPMD22nsinRe=+(1-7)因此，可以使用以下公式计算SPR的入射角：1MDPMD1sinRen=+(1-8)基于棱镜耦合器激发的SPR的色散关系如图1-5所示。可以看出，通过使用折射率材料nP，入射光k的传播常数能够在表示共振条件的交点处耦合表面等离子体激元βsp的波矢量。
燕山大学工学硕士论文-8-图1-5TM入射光耦合表面等离子体的色散关系1.3.4波导耦合SPR传感另一种有效的办法是在SPR平面基板中采用引导模式以提高SPR传感器性能。波导耦合器SPR通常以均匀的高RI材料nW制成，且厚度有限(2d)，并夹在基板或覆层之间，以沿波导层执行全内反射(TIR)波现象。为了深入了解SPR传感器配置中的平面波导概念，图1-6描述了用于激发表面等离子体的波导结构。图1-6使用波导结构耦合激发SPR这里需要注意的是，尽管当耦合波在x方向上的传播常数时可以激发SPR，但是kx等于SPW的波矢(βx)。与上文中解释的棱镜结构的原理一样，平面波导结构不能通过调制入射角进行扫描。因此，波长调制法是信号采集技术的唯一选择。或者考虑到波导厚度(2d)的数值孔径代表金属感测下方的TM波的入射角耦合，可以针对最佳数值孔径来调节波导厚度以获得满足共振的条件。Lavers和Wilkinson在1994年提出了第一个基于波导的SPR传感器用于检测液体样品介质[23]。令人意想不到的是，用于激发SPR的波导结构也可以由光纤组成，
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳化硅衬底外延石墨烯[J]. 盛百城,刘庆彬,蔚翠,何泽召,高学栋,郭建超,周闯杰,冯志红. 半导体技术. 2019(08)
[2]石墨烯制备方法的分析探讨[J]. 陈泽宇,闫娜,王再红. 蓄电池. 2019(03)
[3]可调谐交叉领结形石墨烯阵列结构等离子体折射率传感器[J]. 肖功利,杨秀华,杨宏艳,窦婉滢,徐俊林,韦清臣,李海鸥,张法碧,李琦,陈永和,傅涛,孙堂友. 光学学报. 2019(07)
[4]改良氧化还原法制备石墨烯及其电学性能研究[J]. 钟芬,潘雪江,刘恒全. 化工新型材料. 2019(04)
[5]石墨烯制备方法研究进展[J]. 胡成龙,高波,周英伟. 功能材料. 2018(09)
[6]石墨烯光栅结构的表面等离子体激元研究[J]. 刘翰青,刘培国. 微波学报. 2018(S1)
[7]基于石墨烯表面等离激元的双支节结构光电调制器[J]. 李志全,冯丹丹,李欣,白兰迪,刘同磊,岳中,顾而丹. 光学学报. 2018(01)
[8]基于石墨烯涂覆倾斜光纤光栅的折射率传感[J]. 黄梦,顾昌晟,孙兵,杨从浩,余柯涵,张祖兴. 中国激光. 2017(12)
[9]石墨烯覆盖铝纳米光栅表面等离激元共振光谱及传感特性[J]. 农金鹏,韦玮,朱永,汤林龙,张桂稳,蒋肖,陈娜,魏大鹏. 光谱学与光谱分析. 2017(04)
[10]光强检测型空芯光纤表面等离子体共振传感器[J]. 张玙,朱晓松,石艺尉. 光学学报. 2017(06)
本文编号：3216102
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
表面等离子体光栅耦合器的结构
第1章绪论-7-1.3.3棱镜耦合SPR传感1968年，Kretschmann和Otto引入了使用棱镜耦合器的表面等离子体激元激发[21]。基于Kretschmann结构的棱镜联轴器已经成为一种标准技术，可以激发表面等离子体的对准简单性，从而易于控制参数和变量[22]。Kretschmann棱镜模型是一种最为简单的且能够有效激发SPR效应的装置，如图1-4所示，它由石英棱镜、金属薄膜、环境介质三部分组成，图1-4使用Kretschmann配置的棱镜耦合引起SPR的激发其基本原理是使用横磁(TM)波(k)通过高RI棱镜将表面等离子体在光滑的金属感测纳米膜(εM)的表面激发，在特定的入射角(θ)时，其RI大于介质的RI(即nP>nD)。棱镜耦合器结构的共振条件描述如下：xspk=(1-6)MDPMD22nsinRe=+(1-7)因此，可以使用以下公式计算SPR的入射角：1MDPMD1sinRen=+(1-8)基于棱镜耦合器激发的SPR的色散关系如图1-5所示。可以看出，通过使用折射率材料nP，入射光k的传播常数能够在表示共振条件的交点处耦合表面等离子体激元βsp的波矢量。
燕山大学工学硕士论文-8-图1-5TM入射光耦合表面等离子体的色散关系1.3.4波导耦合SPR传感另一种有效的办法是在SPR平面基板中采用引导模式以提高SPR传感器性能。波导耦合器SPR通常以均匀的高RI材料nW制成，且厚度有限(2d)，并夹在基板或覆层之间，以沿波导层执行全内反射(TIR)波现象。为了深入了解SPR传感器配置中的平面波导概念，图1-6描述了用于激发表面等离子体的波导结构。图1-6使用波导结构耦合激发SPR这里需要注意的是，尽管当耦合波在x方向上的传播常数时可以激发SPR，但是kx等于SPW的波矢(βx)。与上文中解释的棱镜结构的原理一样，平面波导结构不能通过调制入射角进行扫描。因此，波长调制法是信号采集技术的唯一选择。或者考虑到波导厚度(2d)的数值孔径代表金属感测下方的TM波的入射角耦合，可以针对最佳数值孔径来调节波导厚度以获得满足共振的条件。Lavers和Wilkinson在1994年提出了第一个基于波导的SPR传感器用于检测液体样品介质[23]。令人意想不到的是，用于激发SPR的波导结构也可以由光纤组成，
【参考文献】：
期刊论文
[1]碳化硅衬底外延石墨烯[J]. 盛百城,刘庆彬,蔚翠,何泽召,高学栋,郭建超,周闯杰,冯志红. 半导体技术. 2019(08)
[2]石墨烯制备方法的分析探讨[J]. 陈泽宇,闫娜,王再红. 蓄电池. 2019(03)
[3]可调谐交叉领结形石墨烯阵列结构等离子体折射率传感器[J]. 肖功利,杨秀华,杨宏艳,窦婉滢,徐俊林,韦清臣,李海鸥,张法碧,李琦,陈永和,傅涛,孙堂友. 光学学报. 2019(07)
[4]改良氧化还原法制备石墨烯及其电学性能研究[J]. 钟芬,潘雪江,刘恒全. 化工新型材料. 2019(04)
[5]石墨烯制备方法研究进展[J]. 胡成龙,高波,周英伟. 功能材料. 2018(09)
[6]石墨烯光栅结构的表面等离子体激元研究[J]. 刘翰青,刘培国. 微波学报. 2018(S1)
[7]基于石墨烯表面等离激元的双支节结构光电调制器[J]. 李志全,冯丹丹,李欣,白兰迪,刘同磊,岳中,顾而丹. 光学学报. 2018(01)
[8]基于石墨烯涂覆倾斜光纤光栅的折射率传感[J]. 黄梦,顾昌晟,孙兵,杨从浩,余柯涵,张祖兴. 中国激光. 2017(12)
[9]石墨烯覆盖铝纳米光栅表面等离激元共振光谱及传感特性[J]. 农金鹏,韦玮,朱永,汤林龙,张桂稳,蒋肖,陈娜,魏大鹏. 光谱学与光谱分析. 2017(04)
[10]光强检测型空芯光纤表面等离子体共振传感器[J]. 张玙,朱晓松,石艺尉. 光学学报. 2017(06)
本文编号：3216102
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