基于石墨烯的动态可调高灵敏度传感器及其应用

本发明涉及传感器的，尤其涉及到一种基于石墨烯的动态可调高灵敏度传感器及其应用。

背景技术：

1、fano谐振器是以意大利物理学家ugo fano命名的一种特殊谐振器，它的研究起源于量子力学中的共振现象，后来在光学和电子学领域得到广泛应用。众所周知，原子或分子的能级可以被激发到不同的离散能级，当这些能级之间发生跃迁时，通常会观察到谱线的出现，相比于传统的洛伦兹或高斯线型谐振器，fano谐振器的谱线形状更为复杂。当一个能级上的共振态与其他多个能级上的态之间发生耦合时，干涉效应会导致原子或分子的响应发生变化。而fano谐振器的形成是由于一个窄带共振态(离散态)与一个宽带背景态(连续态)相互耦合作用，这种耦合引起了干涉效应，导致fano谐振器的谱线形状出现不对称和逆转现象。

2、fano谐振器的研究得益于纳米加工技术和新材料的发展。通过精确控制和调节结构的几何形状、尺寸和材料的光学特性，可以实现对fano谐振器的设计和优化。fano谐振器在光学和电子学中具有许多重要应用，它可以用于制造高灵敏度的传感器、高效的光通信器件、精密的光谱分析仪器等。其特殊的线型和干涉效应使得fano谐振器在光学信息处理、光子集成电路和光学存储等领域中具有潜在的应用前景。

3、现有的太赫兹频段的fano谐振器的调谐通常使用固定尺寸的谐振结构，因此其调谐范围有限，尽管可以通过改变结构参数或材料特性来实现，但这限制了其在实际应用中的灵活性和可调性，当需要在较大的频率范围内进行调谐时，现有的设计方法可能无法满足要求；

4、而且，现有的fano谐振器灵敏度相对较低，这导致对于介质变化细微的环境不够敏感，会出现检测不到变化的情况；还有的是，现有的fano谐振器通常需要复杂的制造过程和技术，包括精细的纳米加工和材料工艺，这增加了制造的成本和困难度，限制了其大规模生产和商业化应用的可能性；最后，现有的fano谐振器一般添加液晶材料等，如果未密封完全，会存在漏液风险，导致谐振器无法进行工作。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于石墨烯的动态可调高灵敏度传感器。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

3、基于石墨烯的动态可调高灵敏度传感器，包括金属板基底和偏置电路；

4、所述金属板基底内设有fano谐振器结构；

5、所述fano谐振器结构包括主通道、两个全等且与主通道连通并垂直的矩形通道；

6、两个矩形之间存在距离，且该两个矩形内设有贯穿各自两侧的石墨烯；

7、两个石墨烯均处于同一个水平高度，其中一个石墨烯的一端与另一石墨烯的一端相对，且两个石墨烯的两端均连接有导线，接入偏置电路中；

8、所述主通道和矩形通道内均填充有空气。

9、进一步地，还包括有二氧化硅层，该二氧化硅层包裹在石墨烯的外围，起到保护石墨烯的作用。

10、进一步地，所述偏置电路包括电压源、电阻和测量设备；其中，电压源用于控制电势差，电阻用于限制电流的流动，以保护石墨烯和其他元件，测量设备用于监测石墨烯中的电流、电压或其他电学特性的变化，最后实现通过调节电压源或其他电势调节装置，改变电极之间的电势差，即费米能级的大小。

11、进一步地，所述金属板基底为铜板基底。

12、本技术方案可用于在太赫兹频段获得高灵敏度且可动态调节谐振频率的表面等离激元fano共振。

13、与现有技术相比，本技术方案原理及优点如下：

14、1、相比现有的未添加调谐材料的传感器，本技术方案使用添加石墨烯的fano谐振结构，该结构具有高灵敏度的特性，对于周围介质环境变化时，具有很强的反应能力，从而使得本技术方案所述的传感器在具备可调谐的特性的同时还具有超高灵敏度特性，很适合用于周围介质变化细微的环境。

15、2、使用结构、性质稳定、无需特殊封装的可调谐材料石墨烯，不仅结构简单，还方便生产制造。

16、3、石墨烯的两端连接有导线，接入偏置电路中，传感器在需要改变谐振频率时，无需重新制造一个结构，而是仅仅通过改变石墨烯的费米能级，便可以达到自由改变谐振频率的要求。

技术特征：

1.基于石墨烯的动态可调高灵敏度传感器，其特征在于，包括金属板基底和偏置电路；

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的动态可调高灵敏度传感器，其特征在于，还包括有二氧化硅层，该二氧化硅层包裹在石墨烯的外围。

3.根据权利要求2所述的基于石墨烯的动态可调高灵敏度传感器，其特征在于，所述偏置电路包括电压源、电阻和测量设备。

4.根据权利要求2所述的基于石墨烯的动态可调高灵敏度传感器，其特征在于，所述金属板基底为铜板基底。

5.根据权利要求1-4任一所述的基于石墨烯的动态可调高灵敏度传感器的应用，其特征在于，用于在太赫兹频段获得高灵敏度且可动态调节谐振频率的表面等离激元fano共振。

技术总结
本发明公开了基于石墨烯的动态可调高灵敏度传感器及其应用，传感器包括金属板基底和偏置电路；金属板基底内设有Fano谐振器结构；Fano谐振器结构包括主通道、两个全等且与主通道连通并垂直的矩形通道；矩形之间存在距离，且矩形内设有贯穿各自两侧的石墨烯；石墨烯均处于同一个水平高度，其中一个石墨烯的一端与另一石墨烯的一端相对，且石墨烯的两端均连接有导线，接入偏置电路中；主通道和矩形通道内均填充有空气。本发明使用带石墨烯的Fano谐振结构，该结构具有高灵敏度的特性，对于周围介质环境变化时，具有很强的反应能力，从而使得传感器在具备可调谐的特性的同时还具有超高灵敏度特性，很适合用于周围介质变化细微的环境。

技术研发人员：李学识,张文
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22