基于掺杂的石墨烯THz‑SPR气体传感器系统及测试方法与流程

本发明涉及光学传感器领域，特别是一种基于掺杂的石墨烯THz-SPR气体传感器系统及测试方法。

背景技术：

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。其的独特性能给宽带通信、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。

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。

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传感技术可以用来检测物体的介电参数。

本设计是基于掺杂的石墨烯太赫兹表面等离子共振（THz-SPR）传感技术来实现气体介电参数，即折射率的检测，其具有超高的灵敏度和品质因素。应用基于掺杂的石墨烯THz-SPR技术，在研究超高灵敏度的气体传感器方面具有潜在的工程应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于掺杂的石墨烯太赫兹表面等离子共振（THz-SPR）传感技术，研究利用太赫兹反射谱中波谷的漂移，实现气体样品折射率的检测，提出了一种操作方便，结构简单，可靠性强的超灵敏度THz-SPR气体传感系统。

本发明解决技术问题所采用的方案是，一种基于掺杂的石墨烯THz-SPR气体传感器系统，其特征在于：包括宽带太赫兹光束发射器、太赫兹光束探测器、锗棱镜、待测气体样品及悬空的单层石墨烯掺杂装置；所述悬空的掺杂石墨烯位于待测气体样品和空气之间；所述锗棱镜位于待测气体样品的最上方；所述锗棱镜位于宽带太赫兹光束发射器与太赫兹光束探测器之间。

进一步的，所述悬空的单层石墨烯掺杂装置包括两个Au电极、单层石墨烯、带有凹槽蚀刻的SiO₂层及Si层；所述单层石墨烯位于带有凹槽蚀刻的SiO₂层的上方，在SiO₂层凹槽处形成悬空的单层石墨烯；两个Au电极分别设置在石墨烯的两侧，所述Si层置于SiO₂层的底部，作为基底。

进一步的，所述两个Au电极及Si层与外接电源连接，进行静电掺杂。

进一步的，所述的悬空的单层石墨烯掺杂装置制备时，首先将机械剥落的单层石墨烯光学定位在SiO₂层上面，然后将Au电极放置在SiO₂层上方的两侧，最后将整个装置完全浸泡在缓冲氧化物溶液中进行腐蚀，处在两Au电极中间的SiO₂层形成凹槽，因此处在其上方面的单层石墨烯形成悬空的单层石墨烯。

进一步的，还包括一显示器，所述显示器与太赫兹光束探测器输出连接。

本发明还提供一种基于上所述的基于掺杂的石墨烯THz-SPR气体传感器系统的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：所述宽带太赫兹光束发射器，为石墨烯的表面等离子共振气体传感器系统提供宽带TM偏振的太赫兹光源，从锗棱镜的一边以大于全反射临界角的入射角度入射，即，在锗棱镜底部形成倏逝波与待测气体样品进行反应；步骤S2：待测气体样品将与特定频率的太赫兹光束反应耦合成沿着石墨烯和待测气体样品界面传播的表面等离子极化波，而后反射，从锗棱镜另一边射出，所述的太赫兹光束探测器位于锗棱镜的另一边，探测经锗棱镜调制的宽带太赫兹光束信号；步骤S3：所述显示器对太赫兹光束探测器探测到的信号进行处理，显示太赫兹光束信号的反射谱，在反射谱中，参与反应耦合成表面等离子极化波的相应频率的太赫兹光将出现一个波谷，不同待测气体样品具有不同的介电参数，从反射谱中获取待测气体样品的介电参数，实现气体传感。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该基于掺杂的石墨烯太赫兹表面等离子共振（THz-SPR）传感技术的气体传感系统，创新性地采用高性能的掺杂石墨烯材料代替金属材料，并采用宽带太赫兹衰减全反射技术来代替角度调制技术，设计出具有类似三明治的悬空石墨烯传感结构，来实现气体折射率的检测。此外通过改变太赫兹光源的入射角度以及石墨烯的掺杂水平可以改变系统表面等离子的共振，从而改变系统的测量范围以及传感性能，在气体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，在石墨烯的掺杂水平为1.2eV时，系统最高的灵敏度和品质因数分别达到了6.65THz/RIU、1187RIU^-1，其超高的灵敏度和品质因素使应用基于掺杂的石墨烯THz-SPR技术，在研究超高灵敏度的气体传感器方面具有潜在的工程应用价值。

附图说明

图1为该发明的系统结构示意图；

图2为色散关系曲线图；

图3为待测气体样品折射率-表面等离子共振频率理论关系函数曲线图；

图4为传感系统半峰全宽、品质因素与待测气体样品折射率关系曲线图；

图中：

1-宽带太赫兹光束发射器；21,22-Au电极；3-高折射率的锗棱镜；4-待测气体样品；5-太赫兹光束探测器；6-信号显示器；7-电压；8-单层石墨烯；9-SiO₂层；10-空气；11-Si层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

参见图1，本发明提供一种基于掺杂的石墨烯THz-SPR气体传感器系统，其包括宽带太赫兹光束发射器1、太赫兹光束探测器5、锗棱镜3、待测气体样品4及悬空的单层石墨烯掺杂装置；所述悬空的掺杂石墨烯位于待测气体样品和空气之间；所述锗棱镜位于待测气体样品的最上方；所述锗棱镜位于宽带太赫兹光束发射器与太赫兹光束探测器之间。

其中所述悬空的单层石墨烯掺杂装置包括两个Au（金）电极21、22、单层石墨烯8、带有凹槽蚀刻的SiO₂层9、Si（硅栅）层11；所述单层石墨烯位于带有凹槽蚀刻的SiO₂层的上方，在SiO₂层凹槽处形成悬空的单层石墨烯；两个Au电极分别设置在石墨烯的两侧，所述Si层置于SiO₂层的底部，作为基底。

悬空的单层石墨烯掺杂装置制备时，首先将机械剥落的单层石墨烯8光学定位在SiO₂层9上面，然后将Au电极21,22放置在SiO₂层9上方的两侧，最后将整个装置完全浸泡在缓冲氧化物溶液中进行腐蚀，处在两Au电极21,22中间的SiO₂层9形成凹槽，因此处在其上方面的单层石墨烯8形成悬空的单层石墨烯。

本发明还提供一种基于上所述的基于掺杂的石墨烯THz-SPR气体传感器系统的测试方法，其包括以下步骤：步骤S1：所述宽带太赫兹光束发射器，为石墨烯的表面等离子共振气体传感器系统提供宽带TM偏振的太赫兹光源，从锗棱镜的一边以大于全反射临界角的入射角度入射，即，在锗棱镜底部形成倏逝波与待测气体样品进行反应；步骤S2：待测气体样品将与特定频率的太赫兹光束反应耦合成沿着石墨烯和待测气体样品界面传播的表面等离子极化波，而后反射，从锗棱镜另一边射出，所述的太赫兹光束探测器位于锗棱镜的另一边，探测经锗棱镜调制的宽带太赫兹光束信号；步骤S3：所述显示器对太赫兹光束探测器探测到的信号进行处理，显示太赫兹光束信号的反射谱，在反射谱中，参与反应耦合成表面等离子极化波的相应频率的太赫兹光将出现一个波谷，不同待测气体样品具有不同的介电参数，从反射谱中获取待测气体样品的介电参数，实现气体传感。

如图2所示，直的虚线、点线、虚-点线，分别表示真空中太赫兹光束的色散关系曲线、入射角度θ_in = 30°和θ_in = 45°时，太赫兹光束的平行分量色散关系曲线（波数K_∥-频率ω）；实线、短虚线、双点划线分别表示石墨烯掺杂水平E_F分别为1.2 eV、0.8 eV、0.4 eV时，Otto型类似三明治结构气体传感体统的色散关系曲线。曲线的交点对应的频率即为表面等离子共振频率。从图中，我们可以看出，在入射角度一定时，随着石墨烯掺杂的水平的提高，共振频率增加；在石墨烯掺杂水平一定时，随着入射角度的增加，共振频率也相应增加。因此通过改变太赫兹光源的入射角度以及石墨烯的掺杂水平可以改变系统表面等离子的共振，这一特性在气体传感器的设计方面具有很好地灵活性。

如图3所示，点线、双点划线、点划线，分别表示入射角度为30°，石墨烯掺杂水平分别为1.2 eV、0.8 eV、0.4 eV时，待测气体样品折射率（n_s）-表面等离子共振频率（ω）理论关系函数曲线；实线、虚线、点线，分别表示入射角度为45°，石墨烯掺杂水平分别为1.2 eV、0.8 eV、0.4 eV时，待测气体样品折射率-表面等离子共振频率理论关系函数曲线；曲线的斜率表示气体传感体统的灵敏度。从图中我们可以看出，入射角度为30°，系统的理论测量范围为1-2 RIU；入射角度为45°，系统的理论测量范围为1-2.83 RIU，即入射角度越大，系统测量范围越大。同时，从图中可以明显看出，当入射角度一定时，石墨烯掺杂水平越高/低，曲线斜率越大/小，即在同一入射角度，增加石墨烯的掺杂水平，可以增加系统的测量灵敏度，系统的灵敏度在E_F = 1.2 eV时达6.65THz/RIU。

如图4所示，园点曲线和方点曲线分别表示该气体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 = 1RIU时，系统的品质因数达到了1187RIU^-1；插图表示在待测样品折射率分别为1.00、1.02、1.04、1.08、1.10时太赫兹光束的反射谱，从图中可以看出，在共振点，反射率都接近0，传感性能优异。

综上所述，本发明提供的上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。