基于表面增强拉曼散射效应的碳纳米管太赫兹传感模型的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米材料和太赫兹频段表面增强拉曼散射传感技术领域，特别是一种基于表面增强拉曼散射效应的碳纳米管太赫兹传感模型。
技术背景
[0002]碳纳米管是由呈六边形排列的碳原子构成，可以看作是由单层石墨卷曲而成的结构简单的以为管状纳米材料。由于其重量轻、完美的六边形结构、并且具有许多优异的力学、电学和化学性能而广受国内外的关注。随着碳纳米管及纳米材料的深入研宄，其应用前景也变得越来越广泛。碳纳米管的各种属性依据石墨片层的层数、管的直径、螺旋度而有所不同。
[0003]太赫兹波是指频率在0.1THz-1OTHz的电磁波，介于毫米波和红外线之间。太赫兹技术在通信技术、雷达探测、材料科学、医学成像、无损检测、安全检查等诸多领域有着深远的影响。由于太赫兹的高频率，使其具有很高的空间分辨率；又由于它的短脉冲，使其具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。更重要的，由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，加之太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比，将太赫兹技术应用在无损检测上，安全检查等领域，有更好的应用前景。
[0004]表面增强型拉曼散射是指当大分子吸附在粗糙金属或半导体表面时，在外加电磁场的激励下，大分子的拉曼光谱信号增强的现象。由于不同物质的拉曼光谱不同，通过对拉曼光谱的提取，可以有效的对物质进行检测。但是普通拉曼信号很弱，不易检测到，而采用表面增强型拉曼散射技术将信号放大，会大大提高检测的灵敏度和准确性，足以满足对单分子拉曼散射信号的探测。因此该技术自发现以来，就被广泛的应用于光学探测和物质检测上。
[0005]国内外对表面增强拉曼散射、碳纳米管、太赫兹技术的研宄已经有很大进展，但是研制并开发出性能优异的碳纳米管太赫兹器件，是目前急需解决的问题。
【发明内容】
[0006]本发明针对上述存在的问题，提供一种灵敏度高、成本低和生物兼容性好的基于表面增强拉曼散射效应的碳纳米管太赫兹传感模型，拉曼散射增强因子可达到16数量级。
[0007]本发明的技术方案:
[0008]一种基于表面增强拉曼散射效应的碳纳米管太赫兹传感模型，由碳纳米管球阵列和半导体基底构成，碳纳米管球阵列位于半导体基底材料表面，阵列结构为线型阵列或环形阵列；碳纳米管球半径为0.1-300微米，球与球的表面距离为1-100纳米；半导体基底为介电常数为4-20的任意半导体材料；太赫兹电磁波从传感模型的侧面入射，当太赫兹电磁波的入射频率与传感模型的等离子共振频率接近时，产生最高的等离子体局域电场增强。
[0009]本发明的工作机理:
[0010]该模型以材料的表面增强拉曼散射效应为原理，利用入射光频率与探测材料等离子体共振频率相近时，会产生最高的等离子体局域电场增强的原理，使传感器的灵敏度大大提高，太赫兹电磁波侧面照射在传感器的表面，会产生出信噪比很高的表面增强拉曼散射信号。在所设计的碳纳米管太赫兹传感模型的表面装入待测大分子样品，太赫兹波入射时，当入射频率与传感模型的等离子共振频率接近时，待检测分子共振，周围的局域电场会相应增强，也就是拉曼光谱信号得到增强。通过检测相应增强后的拉曼光谱，达到对大分子待测物检测的目的。
[0011]本发明的优点是:
[0012]该碳纳米管太赫兹传感模型，使吸附分子的接触面积增大，其灵敏度较现有的一般传感器有所提高，相比贵重金属，碳纳米管可以降低检测成本；应用太赫兹波为入射波，使目标待检物得范围更广，适应于更多物质的检测；将碳纳米管与太赫兹波技术结合起来，可以使传感器有更好的生物适应性，在无损探测，医疗检测上有更广泛的应用。
【附图说明】
[0013]图1为该表面增强拉曼散射效应的碳纳米管太赫兹传感模型结构示意图
[0014]图中:1.半导体基底2.碳纳米管球阵列3.太赫兹电磁波
[0015]图2为碳纳米管球半径为10um时，不同球表面距离时的表面增强拉曼散射增强因子曲线图。
[0016]图3为表面增强拉曼散射电场增强的三维效果图。
【具体实施方式】
[0017]以下将通过实施例详细描述本发明所提供的一种基于表面增强拉曼散射效应的碳纳米管太赫兹传感模型。但本领域的技术人员应该认识到，在权利要求的范围内，可以做出形式上和细节上的多种变型。因此本发明绝不仅限于以下所述的实施例。
[0018]实施例:
[0019]一种基于表面增强拉曼散射效应的碳纳米管太赫兹传感模型，如图1所示，由碳纳米管球阵列2和半导体基底I构成，碳纳米管球阵列2位于半导体基底I材料表面，阵列结构为线型阵列或环形阵列；碳纳米管球半径为100微米，球与球的表面距离为9.5纳米；半导体基底I为介电常数为4.9的三氧化二铝。太赫兹电磁波3从传感模型的侧面入射，当太赫兹电磁波3的入射频率与传感模型的等离子共振频率接近时，产生最高的等离子体局域电场增强。
[0020]利用以时域有限差分方法为原理的FDTD Solut1ns计算软件对上述所设计的实验模型进行数值仿真，在PML边界条件(各向异性完美匹配层)下求解局域电场强度的变化。为了计算简便，仅以两个碳纳米管球模型进行计算。入射的太赫兹电磁波频率范围在
0.1THz-lOTHz。仿真结果显示，当入射波频率为0.STHz是，模型的局域电场增强可以达到最大16数量级。
[0021]图2为碳纳米管球半径为10um时，不同球表面距离时的表面增强拉曼散射增强因子曲线图，图中表明:当球表面距离为9.5nm时，增强因子最大达到1.5X106。
[0022]图3为表面增强拉曼散射电场增强的三维效果图，即根据模型局域电场增强的计算结果，通过MATLAB软件绘制出的三维效果图，图中表明:最大增强为1.5X 106，最大增强的位置在两个碳纳米管球的中间。也就是说，当大分子待测物位于此处，就很容易利用探测器捕获拉曼光谱信号，从而进行物质的鉴别和成像。
【主权项】
1.一种基于表面增强拉曼散射效应的碳纳米管太赫兹传感模型，其特征在于:由碳纳米管球阵列和半导体基底构成，碳纳米管球阵列位于半导体基底材料表面，阵列结构为线型阵列或环形阵列；碳纳米管球半径为0.1-300微米，球与球的表面距离为1-100纳米；半导体基底为介电常数为4-20的任意半导体材料；太赫兹电磁波从传感模型的侧面入射，当太赫兹电磁波的入射频率与传感模型的等离子共振频率接近时，产生最高的等离子体局域电场增强。
【专利摘要】一种基于表面增强拉曼散射效应的碳纳米管太赫兹传感模型，由碳纳米管球阵列和半导体基底构成，碳纳米管球阵列位于半导体基底材料表面，阵列结构为线型阵列或环形阵列；碳纳米管球半径为0.1-300微米，球与球的表面距离为1-100纳米；半导体基底为介电常数为4-20的任意半导体材料；太赫兹电磁波从传感模型的侧面入射，当太赫兹电磁波的入射频率与传感模型的等离子共振频率接近时，产生最高的等离子体局域电场增强。本发明的优点是：该碳纳米管太赫兹传感模型，使吸附分子的接触面积增大、灵敏度高、检测成本低；应用太赫兹波为入射波，使目标待检物得范围更广、生物适应性更好，在无损探测，医疗检测上有更广泛的应用。
【IPC分类】G01N21-65
【公开号】CN104777152
【申请号】CN201510198542
【发明人】任广军, 汪亚琦, 刘迎, 谭天波
【申请人】天津理工大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月24日