[发明专利]基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器

说明书

本发明公开了一种基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器，该基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器包括自下而上依次连接的光栅层、缺陷层、光子晶体层、基底层。光栅层间隔设置于缺陷层的一侧，置于被测气体环境中；缺陷层的另一侧与光子晶体结构的一侧连接与被测气体接触；光子晶体结构的另一侧与基底层连接；光子晶体结构由大于或等于9层的周期排列的两种聚合物材料制成；基底层同样由聚合物材料制作(材料的选择详见正文)。本发明通过测量谐振峰在频谱或角谱的偏移来获得被测气体的折射率变化量，仿真结果表明其典型的频率灵敏度高达4.682THz/RIU，角度灵敏度高达132.11°/RIU。本发明所使用的结构简单，材料的制备和器件的制作成本明显低于基于石墨烯或半导体硅的太赫兹气体传感器，灵敏度指标优于基于半导体硅的太赫兹气体传感器。

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，尤其涉及基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器。

背景技术

随着科技的逐渐进步，人们对于光谱的研究也逐渐扩大范围，太赫兹频段(0.1THz～10THz)逐渐成为研究的方向。该频段的电磁波为非电离电磁波，相比于美国联邦通信委员会(FCC)定义的10eV，具有低得多的光子能量(1THz对应4meV)，它被认为是一种有效的非破坏性，非接触式和无标记的生物检测光学方法。正是由于这种特殊的性质，太赫兹波更适合应用于包括生物成像、食品检测及气体污染检测等领域。

布洛赫表面波(Bloch Surface wave,简称BSW)是只存在于全介电光子晶体结构中，沿着被截断的光子晶体表面传播。光子晶体指的是不同介电常数的材料周期性排布在空间中所形成的结构。当电磁波在对称性结构的介电材料中传输时，布里渊区边缘出现光子带隙。这是因为布洛赫定理，将由于材料不同导致的折射率周期性变化看作是平均折射率受到微扰的结果。当处于该带隙的频率的电磁波在光子晶体结构中传播时，电磁波只有虚部没有实部，只能以呈指数衰减的消逝波形式存在，无法以波动形式传播。当在光子晶体结构末端单独引入一层介电材料时，可能激发布洛赫表面波。由于被测气体的折射率不同，则产生不同的微扰，激发不同频率的布洛赫表面波。

目前的太赫兹气体探测研究，材料方面主要以Si、Si₃N₄等半导体材料或可产生表面等离激元的贵金属(金和银)以及石墨烯为主，太赫兹气体探测器的材料制备、器件制作成本相比于本发明要高很多。

目前基于光子晶体的太赫兹气体传感器，基于单层石墨烯表面等离激元技术的太赫兹气体传感器，该技术在角度谱检测方面能达到较大灵敏度，但在频率谱检测方面灵敏度没有研究；另外，太赫兹气体传感器的材料一般选择具有高纯度的半导体材料，如高纯度硅、砷化镓、磷化铟，这些材料的制备需要较高的工艺和成本；另外，石墨烯大面积制备工艺尚未成熟，且单层石墨烯的厚度小于1纳米，器件的制作要求及其精密；再次，为了实现不同折射率的气体探测与传感，需外加电压实现费米能级的调控。

发明内容

本发明的主要目的在于提供基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器，通过采用有机聚合物制备的一维光子晶体结构应用到太赫兹气体传感器中，从而降低了光子晶体结构的加工工艺。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器，包括自下而上依次连接的光栅层、缺陷层、光子晶体结构及基底层，所述光栅层间隔设置于所述缺陷层的一侧，所述缺陷层的另一侧与光子晶体结构的一侧连接，所述光子晶体结构的另一侧与基底层连接，所述光子晶体结构由聚合物材料制成。

作为一种改进，所述光子晶体结构包括N个周期交替堆积的单周期光子晶体结构，所述单周期光子晶体结构包括交叠的第一介电层和第二介电层，所述光子晶体结构的一侧通过第一介电层与所述缺陷层连接，所述光子晶体结构的另一侧通过第二介电层与所述基底层连接。

作为一种改进，所述第一介电层的折射率小于所述第二介电层的折射率，所述第一介电层的厚度大于所述第二介电层的厚度，所述缺陷层的厚度大于所述第一介电层的厚度。