基于掺杂的石墨烯缓冲层堆栈SPR传感器系统的制作方法

本发明涉及光学SPR传感器领域，具体涉及一种基于掺杂的石墨烯缓冲层堆栈SPR传感器系统。

背景技术：

表面等离子体是由导电媒质和绝缘体媒质分界面处自由电子的集体震荡产生的。光子和表面等离子体之间的强耦合作用称为表面等离子体极化，它们之间的耦合作用将导致表面等离子体的共振（SPR）,并且对靠近导电媒质和绝缘体媒质分界面处介质环境的变化非常敏感，因此SPR传感技术常被运用于传感分析，尤其在生物传感的运用方面，其可以有效地对生物分子的反应过程进行监测。

石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层，约为0.34nm。碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，赋予了石墨烯良好的导电性。石墨烯优越的性能，使其被广泛地运用于SPR传感领域。

太赫兹（THz）是波动频率单位之一。THz波频段大概在0.1-10THz之间，是一种新的、有很多独特优点的辐射源。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高；又由于它的脉冲很短（皮秒量级）所以具有很高的时间分辨率。其独特的性能给宽带通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像（、无损检测、安全检查等领域带来了深远的影响。

本设计是基于掺杂的石墨烯/缓冲层堆栈SPR传感技术来实现物体介电参数，即折射率的检测，其具检测范围较大，并且具有较高的灵敏度和传感性能。应用基于掺杂的石墨烯/缓冲层堆栈SPR传感技术，在研究高性能、大检测范围的物体折射率传感器方面具有潜在的工程应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的是基于掺杂的石墨烯/缓冲层堆栈SPR传感技术，研究利用不同入射角度的太赫兹反射谱中SPR波谷的漂移，实现物体折射率的检测，提出一种基于掺杂的石墨烯缓冲层堆栈SPR传感器系统，该系统结构简单、操作方便，可靠性强。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于掺杂的石墨烯缓冲层堆栈SPR传感器系统，包括单频太赫兹发射器、太赫兹探测器、高折射率锗棱镜、旋转平台、信号处理器、待测样品、掺杂的单层石墨烯、缓冲层、基底，所述掺杂的单层石墨烯之间由所述缓冲层隔离，形成石墨烯/缓冲层堆栈，至少一层所述的石墨烯/缓冲层堆栈置于所述基底上；所述待测样品位于所述高折射率锗棱镜底部与所述石墨烯/缓冲层堆栈之间，形成Otto的表面等离子共振折射率传感结构，平放于所述旋转平台上，由旋转平台带动旋转，进行太赫兹光源入射角度的调制；所述单频太赫兹发射器，用于为Otto的表面等离子共振折射率传感结构提供单频的TM偏振太赫兹光源，从高折射率锗棱镜的一边以大于全反射临界角的入射角度入射，在锗棱镜底部形成倏逝波与待测样品进行反应，不同待测样品将与不同入射角度的单频的TM偏振太赫兹反应耦合成沿着石墨烯与待测样品界面传播的表面等离子极化波，而后反射，从高折射率锗棱镜另一边出射，由位于高折射率锗棱镜另一边的所述太赫兹探测器探测经高折射率锗棱镜调制的单频太赫兹信号，并传输给所述信号处理器进行处理，显示不同入射角度下，单频太赫兹信号的反射谱，在反射谱中，参与反应耦合成表面等离子极化波的相应角度入射的单频太赫兹光将出现一个波谷，不同待测样品具有不同的介电参数，从而待测样品的介电参数能够从反射谱中获取，实现待测样品的折射率传感。

在本发明一实施例中，所述单频太赫兹发射器，发射的太赫兹频率为5THz。

在本发明一实施例中，所述缓冲层由20 nm厚的聚轻基苯乙烯的衍生物NFC构成。

在本发明一实施例中，所述基底由15μm厚的折射率为1.6的有机材料构成。

在本发明一实施例中，所述掺杂的单层石墨烯，其掺杂方式采用静电掺杂。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明的基于掺杂的石墨烯缓冲层堆栈SPR传感器系统，创新性地将掺杂的单层石墨烯置于缓冲层上，形成石墨烯/缓冲层堆栈；从而利用单层或者多层堆栈来代替金属材料，并采用基于角度调制的单频太赫兹衰减全反射技术，设计出基于石墨烯/缓冲层堆栈的Otto型SPR物体折射率传感结构，来实现物体折射率的检测；此外通过改变石墨烯/缓冲层堆栈层数以及石墨烯的掺杂水平可以改变系统表面等离子的共振，从而改变系统的传感性能，例如系统的检测精度、灵敏度、品质因数等，在物体折射率传感器的设计方面具有很好地灵活性。该系统结构简单，操作方便，可靠性强，研究表明，在室温下，系统的传感性能受石墨烯/缓冲层堆栈层数N的影响，系统的检测精度与堆栈的层数成正比，然而体统的灵敏度与堆栈的层数成反比；当石墨烯的掺杂水平为1.6 eV，石墨烯/缓冲层堆栈的层数N = 5时，系统的检测精度达到了7.14/度；当石墨烯的掺杂水平为1.0 eV，石墨烯/缓冲层堆栈的层数N = 1时，系统的灵敏度和品质因数分别达到了51.0度/RIU、12.75RIU-1。其优越的传感性能使应用基于掺杂的石墨烯/缓冲层堆栈SPR传感技术，在研究高性能的物体折射率传感器方面具有潜在的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为待测样品折射率-表面等离子共振角度理论关系函数曲线图。

图3 为不同堆栈层数下太赫兹信号反射谱。

图4为不同石墨烯掺杂水平下太赫兹信号反射谱。

图5为传感系统半峰全宽、品质因素与待测样品折射率关系曲线图。

图中：1-单频太赫兹发射器；2-待测样品；3-高折射率锗棱镜；4-旋转平台；5-太赫兹探测器；6-信号处理器；71-第1层掺杂的单层石墨烯；72-第N+1层掺杂的单层石墨烯；81-第1层缓冲层；82-第N+1层缓冲层；9-石墨烯/缓冲层堆栈；10-基底。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图1所示，本发明的一种基于掺杂的石墨烯缓冲层堆栈SPR传感器系统，包括单频太赫兹发射器、太赫兹探测器、高折射率锗棱镜、旋转平台、信号处理器、待测样品、掺杂的单层石墨烯、缓冲层、基底，所述掺杂的单层石墨烯之间由所述缓冲层隔离，形成石墨烯/缓冲层堆栈，至少一层所述的石墨烯/缓冲层堆栈置于所述基底上；所述待测样品位于所述高折射率锗棱镜底部与所述石墨烯/缓冲层堆栈之间，形成Otto的表面等离子共振折射率传感结构，平放于所述旋转平台上，由旋转平台带动旋转，进行太赫兹光源入射角度的调制；所述单频太赫兹发射器，用于为Otto的表面等离子共振折射率传感结构提供单频的TM偏振太赫兹光源，从高折射率锗棱镜的一边以大于全反射临界角的入射角度入射，在锗棱镜底部形成倏逝波与待测样品进行反应，不同待测样品将与不同入射角度的单频的TM偏振太赫兹反应耦合成沿着石墨烯与待测样品界面传播的表面等离子极化波，而后反射，从高折射率锗棱镜另一边出射，由位于高折射率锗棱镜另一边的所述太赫兹探测器探测经高折射率锗棱镜调制的单频太赫兹信号，并传输给所述信号处理器进行处理，显示不同入射角度下，单频太赫兹信号的反射谱，在反射谱中，参与反应耦合成表面等离子极化波的相应角度入射的单频太赫兹光将出现一个波谷，不同待测样品具有不同的介电参数，从而待测样品的介电参数能够从反射谱中获取，实现待测样品的折射率传感。

所述单频太赫兹发射器，发射的太赫兹频率为5THz。

所述缓冲层由20 nm厚的聚轻基苯乙烯的衍生物NFC构成。

所述基底由15μm厚的折射率为1.6的有机材料构成。

所述掺杂的单层石墨烯，其掺杂方式采用静电掺杂。

以下为本发明的具体实施过程。

如图1所示，本发明的基于掺杂的石墨烯缓冲层堆栈SPR传感器系统，包括单频太赫兹发射器1、太赫兹探测器5、高折射率锗棱镜3、旋转平台4、信号处理器6、待测样品2、掺杂的单层石墨烯71,72、缓冲层81,82（聚轻基苯乙烯的衍生物,NFC）、基底10。将利用静电掺杂的单层石墨烯71,72置于由NFC构成的20 nm厚的缓冲层上方形成石墨烯/缓冲层堆栈9。单层或者多层石墨烯/缓冲层堆栈9位于基底10上方，待测样品被置于高折射率锗棱镜3和单层或者多层石墨烯/缓冲层堆栈之间形成Otto型的SPR物体折射率传感系统。

系统工作时，由旋转平台4带动传感系统转动，进行太赫兹光源入射角度的调制，单频太赫兹发射器1，为石墨烯/缓冲层堆栈SPR物体折射率传感系统提供频率为5 THz的TM偏振太赫兹光源，从高折射率锗棱镜3的一边以大于全反射临界角的入射角度入射，在高折射率锗棱镜3底部形成倏逝波与待测样品2进行反应。特定的待测样品2将与特定入射角度的单频的太赫兹光源反应耦合成沿着掺杂的单层石墨烯71和待测样品2界面传播的表面等离子极化波，而后反射，从锗棱镜3另一边射出，太赫兹探测器5探测经锗棱镜调制的单频太赫兹信号，信号处理器6对探测到的信号进行处理，并显示不同入射角度下，单频太赫兹信号的反射谱，在反射谱中，参与反应耦合成表面等离子极化波的相应角度入射的单频太赫兹光将出现一个波谷，不同待测样品具有不同的介电参数，从而待测样品的介电参数可以从反射谱中获取，实现物体的折射率传感。

如图2所示，实线、点划线、双点划线、虚线、点线，分别表示石墨烯掺杂水平E_F = 1.0 eV，石墨烯/缓冲层堆栈层数N从1到5时，待测样品折射率（n_s）-表面等离子共振角度理论关系函数曲线；从图中我们可以看出，石墨烯/缓冲层堆栈层数越大，检测同一样品时，共振角度则越小，曲线斜率也越小，测量灵敏度越小。经过计算，当N= 1系统的灵敏度可达51.0度/RIU。

如图3所示，双点划线、点划线、点线、虚线、实线，分别表示石墨烯掺杂水平E_F = 1.0 eV，待测样品为空气时，石墨烯/缓冲层堆栈层数N从1到5时，太赫兹信号反射谱。从图中我们可以看出，石墨烯/缓冲层堆栈层数越大，共振角度则越小，与图2的分析一致。同时，太赫兹信号反射谱的半峰全宽（FWHM）也随着堆栈层数的增加而减小，即系统的检测精度（DA）变大，因此，增加石墨烯/缓冲层堆栈层数有助于提高系统的检测精度。

如图4所示，点划线、点线、虚线、实线，分别表示石墨烯/缓冲层堆栈层数N = 5，待测样品为空气时，石墨烯掺杂水平E_F 分别为0.7 eV、1.0 eV、1.3 eV、1.6 eV时，太赫兹信号反射谱。插图表示太赫兹信号反射谱FWHM和DA与石墨烯掺杂水平，即费米能级E_F的关系。从图中我们可以看出，随着石墨烯掺杂水平的提高，太赫兹信号反射谱的FWHM变小，即DA变大。从插图可以明显看出，DA正比于石墨烯的掺杂水平，经计算在石墨烯掺杂水平E_F = 1.6 eV时，DA = 7.14/度。所以，增加石墨烯掺杂水平同样也有助于提高系统的检测精度。

如图5所示，园点曲线和方点曲线分别表示石墨烯/缓冲层堆栈层数N = 1，石墨烯掺杂水平E_F = 1.0 eV时，该传感系统的半峰全宽（FWHM）、品质因素(FOM)与待测样品折射率（n_s）关系曲线；从图中可以看出，随着待测样品折射率的增加，半峰全宽增加，即系统测量灵敏度下降，同时品质因素也下降，在n_s= 1 RIU时，系统的品质因数达到了12.75 RIU^-1。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。