[发明专利]基于表面等离子体共振的石墨烯气体传感器

说明书

所属技术领域

本发明涉及气体检测仪器，特别是利用光电仪测量表面等离子体在界面上是否发生共振来确定气体分子存在与否的传感器。

背景技术

石墨烯(graphene)是由碳原子构成的二维晶体，是其它碳材料同素异形体的基本构成单元。2004年，曼彻斯特大学Andre Geim 教授领导的研究小组最先发现了石墨烯并立即引起了科学和工业界的广泛关注，石墨烯的发现者更于2010年获得了诺贝尔物理学奖。由于石墨烯具有极高的比表面积(2630m²/g)，因此对气体分子具有非常好的吸附作用。

表面等离子体共振（SPR: Surface Plasmon Resonance）是一种物理光学现象。电磁波（如光波）能够激发表面等离子体的振动。表面等离子体共振现象能够通过衰减全反射法进行观测。由于产生表面等离子体共振时将破坏全发射的条件，导致反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现共振峰。这个现象非常易于观测，因此表面等离子体共振在传感领域获得广泛应用。

目前，基于石墨烯的气体传感器已经见诸报道。具有代表性的实现方式是利用石墨烯在吸附气体分子前后电导率/电阻的变化来判定是否有气体分子附着在石墨烯表面。利用该方法实现的装置灵敏度不高，而且需要在石墨烯薄膜上制作导电电极，工艺复杂，难以实现规模化生产。

发明内容

为了解决现有石墨烯气体传感器灵敏度不高，制备工艺复杂的问题，本发明提供一种基于表面等离子体共振的石墨烯气体传感器，该传感器具备高检测灵敏度，工艺简单的特点。

为达到以上目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该传感器包括光源系统、全反射系统、光强测量系统、金属薄膜系统、气体分子吸附系统。

本发明当气体分子吸附系统吸附了气体分子后其介电常数改变，从而影响气体分子吸附系统与金属薄膜系统之间界面上发生共振的条件。气体分子吸附系统与金属薄膜系统相接，形成可传输表面等离子波的界面，金属薄膜系统与全反射系统相接，形成可全反射的界面，全反射所形成迅逝波将越过可全反射的界面进入金属薄膜系统，光源系统工作后，表面等离子体是否发生共振可以方便地根据光强测量系统所测量的全反射系统输出的出射光强来确定；由于光强测量系统测量到的衰减全反射曲线在表面等离子体共振条件下会形成一个尖锐的吸收峰，据此可用于低浓度气体分子检测。

采用以上技术方案后，本发明的有益效果是：该传感器具有高检测灵敏度，器件稳定性好，响应速度快，结构紧凑，工艺简单，成本低廉。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

 图1 为本发明原理示意图。

图2为本发明结构示意图。

图3为图2放大图。

图2中：1. 石墨烯薄膜、2. 金膜、3. 棱镜、4. 石墨烯-金界面、5. 金-棱镜界面、6. 光源、7. 准直器件、8. 电荷耦合装置。

具体实施方式

根据图1所示，本发明一种基于表面等离子体共振的石墨烯气体传感器，包括光源系统、全反射系统、光强测量系统、金属薄膜系统、气体分子吸附系统。各部分功能描述如下: 

1. 光源系统：产生全反射系统所需的入射光；

2. 全反射系统：使由光源系统提供的入射光在全反射系统与金属薄膜系统相接所形成的界面上发生全反射，全反射所形成迅逝波将越过界面进入金膜；

3. 光强测量系统：测量从全反射系统输出的出射光；

4. 金属薄膜系统：用于产生表面等离子体共振的关键模块。当气体分子吸附系统满足一定条件时，表面等离子将在金属薄膜系统和气体分子吸附系统相接所形成的界面上发生共振；

5. 气体分子吸附系统：用于吸附待测环境中的气体分子。当气体分子被气体分子吸附系统吸附后，气体分子吸附系统本身的介电常数将发生改变，从而影响表面等离子体在界面上发生共振的条件。

本发明当气体分子吸附系统吸附了气体分子后，其介电常数改变所引起表面等离子体共振条件发生改变，来对气体分子进行检测。