[发明专利]一种基于双层带状石墨烯周期阵列结构的快速可调谐中红外折射率传感器

说明书

一种基于双层带状石墨烯周期阵列结构的快速可调谐中红外折射率传感器，属于传感器结构设计技术领域。所述中红外折射率传感器包括金属基底层、介质层、带状石墨烯周期阵列结构及两个条状金属电极；所述金属基底层上面设置有介质层，所述介质层上面设置有带状石墨烯周期阵列结构，所述带状石墨烯周期阵列结构的两端各设置有一个条状金属电极；所述带状石墨烯周期阵列结构是由两个单层带状石墨烯周期阵列叠合而成的双层结构。本发明的优点是：本发明的中红外折射率传感器具有结构简单、体积小、易于集成、工作波段快速可调谐和灵敏度高的优点，在生物工程、环境监测、受禁毒品检测和易爆材料识别等领域有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于传感器结构设计技术领域，具体涉及一种基于双层带状石墨烯周期阵列结构的快速可调谐中红外折射率传感器。

背景技术

电磁波谱中，通常把波长范围为0.760 μm~1000 μm这一波谱区间称为红外波谱区，其中又分为近红外（0.76 μm~2.5 μm）、中红外（2.5 μm~25 μm）和远红外（25 μm~1000 μm）。中红外又被称为热红外或发射红外，该波段广泛被应用于生物分子、环境监测、受禁毒品和易爆材料等物质种类的检测和识别，因此在中红外波段设计用于识别物质种类的传感器件具有重要意义。一般情况下，被探测的生物化学物质具有区别于其他物质的光学折射率，因此通过探测物质折射率的办法可以间接达到分辨物质种类的目的。传统上，利用折射率变化对电压，温度，外力，电磁波的振幅，相位，偏振态等物理参数引起变化的规律能够探测物质折射率，但是由于这些机制的传感器灵敏度较低，不能满足高灵敏度传感的要求。近几年，虽然基于纳米线结构（nanowire），晶体波导结构（crystals waveguide），法诺共振（Fano resonance）超材料的折射率传感器提高了传统传感器的灵敏度，但是这些静态结构的传感器工作波段固定，在一定程度上限制了被探测物的种类。为了实现工作波段动态可调的传感器，2011年发表在ACS nano 杂志上题为Compliant metamaterials forresonantly enhanced infrared absorption spectroscopy and RI sensing的文章提出了基于可拉伸基底的超材料传感器，实现了工作波段的动态可调，但这种传感器结构复杂，调控时间较长。随着对石墨烯材料研究的不断深入，基于电控单层石墨烯的折射率传感器也被设计出来，其具有工作波段动态可调的优点，但单层石墨烯共振峰的品质因子较低，导致传感器的灵敏度不高。为了满足对生物化学物质，如DNA、受禁毒品和易爆材料等的精准、快速检测和识别，我们急需一种结构简单易于集成、工作波段快速可调且灵敏度较高的折射率传感器。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的折射率传感器结构复杂、工作波段固定且灵敏度低的问题，提供一种基于双层带状石墨烯周期阵列结构的快速可调谐中红外折射率传感器，利用其吸收光谱的变化来判断被探测物折射率的差异，简化了单元结构，提高了传感器的灵敏度，实现了工作波段的动态快速可调。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于双层带状石墨烯周期阵列结构的快速可调谐中红外折射率传感器，所述中红外折射率传感器包括金属基底层、介质层、带状石墨烯周期阵列结构及两个条状金属电极；所述金属基底层上面设置有介质层，所述介质层上面设置有带状石墨烯周期阵列结构，所述带状石墨烯周期阵列结构的两端各设置有一个条状金属电极；所述带状石墨烯周期阵列结构是由两个单层带状石墨烯周期阵列叠合而成的双层结构。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明的中红外折射率传感具有结构简单、体积小、易于集成、工作波段快速可调谐和灵敏度高（3.18μm/RIU）的优点，解决了某些化学物质在特定波段存在干扰吸收峰的问题，本发明在生物工程、环境监测、受禁毒品检测和易爆材料识别等领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述传感器的结构示意图，其中，1-金属基底层、2-介质层、3-带状石墨烯周期阵列结构、4-条状金属电极；