[发明专利]石墨烯材料的表面等离子波导痕量气体传感装置

说明书

本发明公开了一种石墨烯材料的表面等离子波导痕量气体传感装置，其特征是，包括顺序叠接的底层介质层、中间层和顶层的石墨烯纳米阵列层；所述的石墨烯纳米阵列层为纳米粒子结构的石墨烯阵列层。这种装置中由于石墨烯的低损耗、良好导体特性克服了信道中自发辐射产生的噪声损耗；采用的纳米粒子阵列不仅易于传播SPPs，且对于痕量气体分子的吸附效果具有显著的改进；检测的痕量气体不仅可以针对单一气体的检测，还可针对特殊环境中多种有毒气体测量。这一装置提供了一种高灵敏度、测量范围宽的传感器件，且以现有制备技术而言，易于实现。

技术领域

本发明涉及传感技术，具体是石墨烯材料的表面等离子波导痕量气体传感装置。

背景技术

目前，基于碳纳米管的传感器对不同类型的气体和蒸气分子包括毒性气体具有较好的检测灵敏度，检测范围低至 10^{- 9}甚至 10^{- 12}数量级。碳纳米管对无机气体敏感性的研究报道很多，如单壁碳纳米管对 O₂、NO₂、NH₃ 的气敏性，以及多壁碳纳米管对 NO₂、H₂、NH₃ 的气敏性，其中对 NO₂ 的检测限达到了10^{- 8}。 然而碳纳米管传感器价格昂贵，制备复杂，限制了其大范围使用。改性碳纳米管气体传感器还存在着一些不足，与某些气体分子间的相互作用较弱，检测效果不理想，改性方法还有待完善。如何进一步提高碳纳米管气体传感器的选择性，以便在复杂气体环境中实现选择性检测仍然是一个有待解决的问题。

石墨烯是零带隙半导体，具备独特的载流子特性和优异的电学性能。除此之外，石墨烯的拉伸模量和极限强度与单壁碳纳米管（SWCNT）相当，且质量轻，导热性好，比表面积大。与昂贵的富勒烯和碳纳米管相比，氧化石墨烯价格低廉， 原料易得，更具竞争优势。澳大利亚联邦科工组织（CSIRO）的科学家研发出新型石墨烯纳米传感器，能够探测非常低浓度的毒性气体，如氨气和二氧化氮，并且这种传感器可以通过水或者乙醇分子进行恢复。然而上述传感器探测气体的范围却有了一定地退化。

目前对于痕量气体传感的应用研究基本集中在采用谐振腔技术和碳纳米管方面。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种石墨烯材料的表面等离子波导痕量气体传感装置。这种装置能克服富勒烯和碳纳米管等痕量气体传感装置造价昂贵，测量后不可以再生的问题，且制作相对简单，检测灵敏度大易于实现。

实现本发明目的的技术方案是：

石墨烯材料的表面等离子波导痕量气体传感装置，包括顺序叠接的底层介质层、中间层和顶层的石墨烯纳米阵列层。

所述的石墨烯纳米阵列层为纳米粒子结构的石墨烯阵列层。石墨烯纳米粒子阵列结构，能够增强SPPs（Surface plasmon polaritons，简称SPPs，表面等离子体激元）强局域化效果。

通过氧化石墨烯方法得到石墨烯纳米阵列层，通过沉积、刻蚀的方法将石墨烯纳米粒子阵列层吸附在玻璃层上。

入射光进入玻璃层，利用衍射光和纳米粒子阵列结构激发产生石墨烯-气体界面上的传播的SPPs，由于痕量气体分子能够增加石墨烯纳米阵列层的电荷载体浓度，增强材料的敏感性，改变波导的有效折射率，导致出射光强度发生变化，通过检测光强度变化得到环境中痕量气体浓度。

入射光的入射角度大于SiO₂层与玻璃层间的全反射角。

痕量气体分子指NO₂、CO、氨气等其中一种或多种。