應(yīng)用于溫度傳感器的納米功能材料

1、 應(yīng)用于溫度傳感器的納米功能材料應(yīng)用于溫度傳感器的納米功能材料 傳感器與檢測技術(shù)研討傳感器與檢測技術(shù)研討 小組成員：小組成員：俞曉涵（12014308） 王 敏（12014306） 劉 億（12014309） 邊堅勇（12014326） 周星竹（12014328） 1 2 3 4 材料制備 工作原理 溫度響應(yīng)特性 應(yīng)用前景 n 表面等離子體激元表面等離子體激元 1 在金屬表面存在的自由振動的電子與光 子相互作用產(chǎn)生的沿著金屬表面?zhèn)鞑サ?電子疏密波； 當(dāng)入射光波的能量和金屬-介質(zhì)界面處固 有的表面等離子體的能量相接近時,即滿 足波矢匹配時,兩者相互耦合而激發(fā)出表 面等離子體激元。 p 基本概念

2、性質(zhì) 金屬表面自由電子的集體振蕩; 金屬表面的局域電磁場。 n 表面等離子體激元表面等離子體激元 2 基本性質(zhì) 沿界面方向高度局域,垂直于界面的方向場強(qiáng)呈 指數(shù)衰減,是一種消逝波； 能夠突破衍射極限,由于金屬本身的損耗,其傳播 距離非常有限； 具有很強(qiáng)的局域増強(qiáng)效應(yīng)； 只能在金屬和介質(zhì)的界面兩側(cè)激發(fā),同頻率條件 下,其波矢比光波波矢要大。 p 基本特征 n 表面等離子體激元表面等離子體激元 5 u相同頻率時,SPPs波矢比光波矢 量要大,使得SPPs的動量與入射 光的動量不匹配,所以不能直接 利用平面波在金屬平面激發(fā)出 SPPs。 p 激發(fā)方式 u常見的激發(fā)結(jié)構(gòu)： 棱鏡耦合結(jié)構(gòu)； 光柵耦合；

3、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)； 強(qiáng)聚焦光束； 近場耦合 n 表面等離子體激元表面等離子體激元 6 波導(dǎo)是用來定向引導(dǎo)電磁波的結(jié) 構(gòu)。 波導(dǎo)管的優(yōu)點： 導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗??； 功率容量大； 沒有輻射損耗； 結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。 p 波導(dǎo) u常見的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)： 平行雙導(dǎo)線； 同軸線 平行平板波導(dǎo)； 矩形波導(dǎo)； 圓波導(dǎo)； 微帶線等。 n 表面等離子體激元表面等離子體激元 7 橫截面均勻的空心波導(dǎo)稱為均勻波導(dǎo)。 均勻波導(dǎo)中電磁波的波型可分為電波（TM模）和磁波（TE 模）兩大 類 p 波導(dǎo) n 表面等離子體激元表面等離子體激元 8 波導(dǎo)的兩側(cè)存在消逝波,利用波導(dǎo)邊界處的消逝波來激發(fā)SPPs,使波導(dǎo)中 的光波耦合到SPPs波

4、中。 當(dāng)在波導(dǎo)的某個位置鍛上金屬薄膜,光波通過該區(qū)域時就能夠?qū)⒉▽?dǎo)中的 光場能量耦合到SPPs波中,從而達(dá)到在金屬-介質(zhì)界面激發(fā)SPPs的目的。 p 波導(dǎo)結(jié)構(gòu) n 表面等離子體表面等離子體 9 n 表面等離子體共振（SPR）是在入射光與金屬納米結(jié)構(gòu)表面自由電子的振 動發(fā)生共振時形成的； n SPPs的傳播常數(shù)與金屬-電介質(zhì)界面上電介質(zhì)的折射率有關(guān),其對附著在 貴金屬膜上的電介質(zhì)的折射率變化非常敏感； n 當(dāng)金屬薄膜上的電介質(zhì)作為一種待測分析物時,就可以通過測量共振波長 或共振角度的變化,達(dá)到對待測分析物折射率的檢測的目的。 p 共振傳感原理 n 表面等離子體表面等離子體 10 n 兩根SPPs

5、波導(dǎo)和一個充滿乙醇的矩形諧振腔構(gòu)成； n 光可以通過納米光纖耦合進(jìn)入傳感器,輸出光可以通過JY共焦拉曼顯微鏡來測得。 p 納米傳感器模型 n 工作原理工作原理 石醇的折射率定義為： 上式中020是室溫，是環(huán)境溫度。我們選擇乙 醇的原因是乙醇的熱光吸收較高，而二氧化硅的熱光 系數(shù)約為a8.610（-6），及銀的熱光系數(shù)約等于 9.310（-6）。因為乙醇的熱光系數(shù)比銀和二氧化硅 的熱光系數(shù)高二次方，在分析溫度傳感時，溫度變化 對銀和二氧化硅折射率的影響可以忽略不計。 11 n 溫度傳感器溫度傳感器 溫度傳感器是指能感知溫度并轉(zhuǎn)換成其他可測 輸出信號的傳感器。溫度傳感器是日常生活中溫度 測量儀器的

6、核心部件。由于傳統(tǒng)技術(shù)成熟性，以電 為基礎(chǔ)的溫度計依然是最受歡迎的傳感裝置。電為 基礎(chǔ)的溫度傳感器主要有四類：熱電偶、熱敏電阻、 電阻式溫度檢測器、集成電路溫度傳感器。 12 n SPPsSPPs納米溫度傳感器理論模型納米溫度傳感器理論模型 它由兩根波導(dǎo)和一個矩形諧振腔構(gòu)成。該矩形納 米腔內(nèi)被填充滿了乙醇，實驗上可以通過毛細(xì)管吸引力把乙醇 填充進(jìn)去。對該結(jié)構(gòu)需要指出的是乙醇是被銀膜上表面的其 他介質(zhì)被密封在矩形腔內(nèi)的，而該部分并沒有在圖中繪出。圖 中的綠色部分、黃色部分和紫色部分分別表示乙醇、銀和二氧 化娃基底，狹縫區(qū)域材料為空氣。該結(jié)構(gòu)可以通過通過聚焦離 子束技術(shù)或者先把銀膜沉積在基底上，再

7、刻蝕銀膜，制造方法 在文獻(xiàn)中有詳細(xì)描述。光可以通過納米光纖耦合進(jìn)入傳感器， 輸出光可以通過JY共焦拉曼顯微鏡來測。為減少計算需要的內(nèi) 存和減輕計算負(fù)擔(dān)，我們在本文中執(zhí)行二維時域有限差分法仿 真。二維模型如圖所示，d是狹縫波導(dǎo)的縫寬，w是狹縫波導(dǎo)與 矩形腔的賴合距離，L和H分別為矩形腔的長度和高度。 13 n 工作原理工作原理 眾所周知，在金屬絕緣介質(zhì)金屬（MIM）波導(dǎo)中， 波的基模的色散關(guān)系可寫成 上式中，Kz1和Kz2通過動量守恒 Ed和Em分別為電解質(zhì)和金屬的介電常數(shù)，是 SPPs的傳輸常數(shù)，k0是自由空間中的波矢 量。銀的復(fù)介電常數(shù)采用Palik實驗數(shù)據(jù)并通過插值 的方法用到仿真中。 1

8、4 n 工作原理工作原理 石醇的折射率定義為： 上式中020是室溫，是環(huán)境溫度。我們選擇乙 醇的原因是乙醇的熱光吸收較高，而二氧化硅的熱光 系數(shù)約為a8.610（-6），及銀的熱光系數(shù)約等于 9.310（-6）。因為乙醇的熱光系數(shù)比銀和二氧化硅 的熱光系數(shù)高二次方，在分析溫度傳感時，溫度變化 對銀和二氧化硅折射率的影響可以忽略不計。 15 n 工作原理工作原理 狹縫寬分別取d=50nm，d=100nm， d=150nm，波長分別取600nm， =1000nm，=1550nm，銀乙醇銀狹 縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的有效折射率（neff =real（/k0）與溫度的關(guān)系如圖所示。 很顯然，的有效折射率隨著溫度

9、的增加而減小，在-10060的范圍內(nèi)， 有效折射率是關(guān)于溫度的線性函數(shù)。 16 n 工作原理工作原理 根據(jù)時間耦合模理論，該傳感器的傳輸T1可以表述為： 上式中 是由于SPPs本征損耗引起的衰減率， 和 分別為 左邊SPPs波導(dǎo)與腔的耦合效率以及腔與右邊SPPs波導(dǎo)耦合效 率，在我們的結(jié)構(gòu)中， 在該矩形腔中，SPPs每次往返的累積相移為： 上式中， 是SPPs在矩形腔末端金屬壁產(chǎn)生的相移，neff是SPPs的 有效折射率，L是矩形腔長度。在共振波長 ，入射光強(qiáng)能夠 通過矩形腔并會在傳輸譜產(chǎn)生峰值，共振時的相位關(guān)系有： p上式中m為整數(shù)，根據(jù)恒等式，共振波長可以寫為： 17 n 工作原理工作原理

10、 只有滿足上式的波長，才能在該結(jié)構(gòu) 中有效傳輸。共振波長 與SPPs的有效 折射率成正比，又因為有效折射率與溫 度是成 反比關(guān)系，因此可以得到共振 波長與溫度成反比的關(guān)系，其比例系數(shù) （溫度靈敏度）為： 等離子體波導(dǎo)與乙醇密封矩形腔耦合結(jié) 構(gòu)能夠用來測量溫度主要是源于該納米結(jié)構(gòu)對 介質(zhì)材料折射率變化的靈敏性。隨著溫度的增 加，由于熱光效應(yīng)乙醇的折射率會隨之減小， 導(dǎo)致SPPs的有效折射率的變化和共振波長的漂 移。為了調(diào)查該結(jié)構(gòu)的溫度傳感特性，我們利 用FDTD方法來建立物理模型，在仿真中，模型 所有外部邊界取PML，在狹縫左進(jìn)端口設(shè)置 波作為激勵源，在x和y方向的網(wǎng)格大小設(shè)置為 5nm5nm，

11、時間步長可由柯朗條件推出。 18 n 工作原理工作原理 上式中，表示真空中的光速。 設(shè)置兩個功率監(jiān)督器P1和P2分別 用來探測、記 錄激發(fā)功率（仿真去掉本章涉及 的共振腔）和傳輸功率（有腔結(jié) 構(gòu)）。P1和P2的 距離設(shè)置為1400nm。該傳感器的 傳輸定文為T1=Pout/Pin。當(dāng)波 長滿足恒等式 時，這些波長 將獲得最大的傳輸。 19 n 溫度響應(yīng)特性溫度響應(yīng)特性 在這提出了一個可用溫 度傳感的金屬納米結(jié)構(gòu)。該 結(jié)構(gòu)的兩根金屬介質(zhì)金 屬波導(dǎo)通過環(huán)形腔來耦合。 20 n 溫度響應(yīng)特性溫度響應(yīng)特性 21 n 溫度響應(yīng)特性溫度響應(yīng)特性 由圖可知，輸入波長在500nm-2000nm的范圍，該納米結(jié)

12、構(gòu)的傳輸 譜存在3個傳輸峰，峰值對應(yīng)波長分別為526nm，760nm，1488nm。 為便于分析，我們把這三個峰分別標(biāo)注為峰1，峰2，和峰3。很明顯，峰1 的傳輸超過85%，峰2約為78%，峰3約為55%，其中峰3的損耗是最大的，原因是 同結(jié)構(gòu)、不同波長對應(yīng)的傳輸常數(shù)虛部（虛部表示傳輸損耗）不同。 22 n 溫度響應(yīng)特性溫度響應(yīng)特性 23 作為溫度傳感器，我們首先需要找到一種熱光系數(shù)比較高的液體，之后 把它填充到狹縫和環(huán)里面，最后對液體進(jìn)行密封。在本次研討中，我們填充 液體選取的是乙醇。乙醇的熱光系數(shù)高達(dá)3.9410-4。 其折射率可定義為： n 溫度響應(yīng)特性溫度響應(yīng)特性 124 圖中顯示了峰

13、值波長漂移與溫度的 關(guān)系。當(dāng)溫度由-100增加到78，傳輸 峰1，2，3對應(yīng)的波長漂移量分別為 3583nm，54.28nm，109.35nm。 根據(jù)溫度傳感器靈敏度的定義計算得 傳輸峰1，2，3的溫度靈敏度分別為 0.19nm/，0.29nm/，0.58nm/。 n 溫度響應(yīng)特性溫度響應(yīng)特性 25 表明乙醇折射率隨溫度升高是線性減小的。因此， 該結(jié)構(gòu)密封乙醇后，傳輸譜的峰值波長漂移與溫度變化成 線性關(guān)系，隨著溫度增加，峰值波長向短波方向發(fā)生漂移。 n 應(yīng)用前景應(yīng)用前景 26 例1：納米二氧化鋯、氧化鎳、二氧化鈦等陶瓷對溫度變化、紅外線以及汽車尾氣 都十分敏感。因此，可以用它們制作溫度傳感器、

14、紅外線檢測儀和汽車尾氣檢測儀， 檢測靈敏度比普通的同類陶瓷傳感器高得多。 例2：光纖溫度傳感器在過去的二十年得到了廣泛的研究和應(yīng)用，比如光纖布拉格 光柵、大周期光纖光柵、以及各種各樣的光纖干涉儀和其他有趣的結(jié)構(gòu)。 n 應(yīng)用前景應(yīng)用前景 27 近年來，隨著納米加工技術(shù)的進(jìn)步，近年來，隨著納米加工技術(shù)的進(jìn)步，表面等離子體溫度傳感器表面等離子體溫度傳感器被提了出來并得到被提了出來并得到 了相關(guān)理論研究和實驗研究了相關(guān)理論研究和實驗研究 現(xiàn)代信息技術(shù)對光電子器件的現(xiàn)代信息技術(shù)對光電子器件的微型化微型化和和高度集成化高度集成化的要求，需要我們把器件的尺的要求，需要我們把器件的尺 寸和空間距離做的越來越小

15、（均要突破光學(xué)衍射極限）。寸和空間距離做的越來越小（均要突破光學(xué)衍射極限）。 由于基于傳統(tǒng)光學(xué)的基本原理和技術(shù)受到光的衍射極限的限制，使得科學(xué)家迫切由于基于傳統(tǒng)光學(xué)的基本原理和技術(shù)受到光的衍射極限的限制，使得科學(xué)家迫切 需要找到實現(xiàn)突破衍射極限的新機(jī)理和新技術(shù)，從而實現(xiàn)光學(xué)信號在納米尺度上需要找到實現(xiàn)突破衍射極限的新機(jī)理和新技術(shù)，從而實現(xiàn)光學(xué)信號在納米尺度上 的傳輸、操控和相關(guān)技術(shù)應(yīng)用等，而利用表面等離子體可解決這些難題。的傳輸、操控和相關(guān)技術(shù)應(yīng)用等，而利用表面等離子體可解決這些難題。 表面等離子體激元在光子學(xué)、數(shù)據(jù)存儲、顯微鏡、太陽能電池、生物傳感等領(lǐng)域表面等離子體激元在光子學(xué)、數(shù)據(jù)存儲、顯

16、微鏡、太陽能電池、生物傳感等領(lǐng)域 具有廣闊的應(yīng)用前景。具有廣闊的應(yīng)用前景。 n 應(yīng)用前景應(yīng)用前景 28 充分利用納米材料的異常光學(xué)特性、電學(xué)特 性、磁學(xué)特性、力學(xué)特性、敏感特性、催化 與化學(xué)特性等。 開發(fā)高技術(shù)新產(chǎn)品，以及對傳統(tǒng)材料改性。 納米技術(shù)的應(yīng)用逐漸滲透到涉及國計民生的 各個領(lǐng)域，將產(chǎn)生新的經(jīng)濟(jì)增長點。 綠色環(huán)保。 n 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) p 1 T. D. Vo, J. K temperature sensor He, E. Magi, et al. Chalcogenide fiber-based distributed with sub-centimeter spatial res

17、olution and enhanced accuracy J. Opt. Express, 2014, 22(2): 1560-1568. p 2Q.Q. Cheng, T. Li, L. Li, et al. Mode division multiplexing in a polymer-loaded plasmonic planar waveguideJ.Opt. Lett. 2014, 39(13): 3900-3902. p 3T. S. Y M. Liu, Z.Yu, et al. The sensing characteristics of plasmonic waveguide with a ring resonatorJ.Opt. Express, 2014, 22(7): 7669-7677. p 4T. S. Wu, Y. M. Liu, Z. Y Yu, et al. The sensing characteristics of plasrnonic waveguide with a single defectJ.Opt. Commun. 2014, 232: 4