应用于温度传感器的纳米功能材料

应用于温度传感器的纳米功能材料——传感器与检测技术研讨小组成员：俞晓涵（12014308）王敏（12014306）刘亿（12014309）边坚勇（12014326）周星竹（12014328）1234材料制备工作原理温度响应特性应用前景表面等离子体激元1在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波；当入射光波的能量和金属-介质界面处固有的表面等离子体的能量相接近时,即满足波矢匹配时,两者相互耦合而激发出表面等离子体激元。基本概念性质金属表面自由电子的集体振荡;金属表面的局域电磁场。表面等离子体激元2基本性质沿界面方向高度局域,垂直于界面的方向场强呈指数衰减,是一种消逝波；能够突破衍射极限,由于金属本身的损耗,其传播距离非常有限；具有很强的局域増强效应；只能在金属和介质的界面两侧激发,同频率条件下,其波矢比光波波矢要大。基本特征表面等离子体激元5相同频率时,SPPs波矢比光波矢量要大,使得SPPs的动量与入射光的动量不匹配,所以不能直接利用平面波在金属平面激发出SPPs。激发方式常见的激发结构：棱镜耦合结构；光栅耦合；波导结构；强聚焦光束；近场耦合表面等离子体激元6波导是用来定向引导电磁波的结构。波导管的优点：•导体损耗和介质损耗小；•功率容量大；•没有辐射损耗；•结构简单，易于制造。波导常见的波导结构：平行双导线；同轴线平行平板波导；矩形波导；圆波导；微带线等。表面等离子体激元7横截面均匀的空心波导称为均匀波导。均匀波导中电磁波的波型可分为电波（TM模）和磁波（TE模）两大类波导表面等离子体激元8波导的两侧存在消逝波,利用波导边界处的消逝波来激发SPPs,使波导中的光波耦合到SPPs波中。当在波导的某个位置锻上金属薄膜,光波通过该区域时就能够将波导中的光场能量耦合到SPPs波中,从而达到在金属-介质界面激发SPPs的目的。波导结构表面等离子体9表面等离子体共振（SPR）是在入射光与金属纳米结构表面自由电子的振动发生共振时形成的；SPPs的传播常数与金属-电介质界面上电介质的折射率有关,其对附着在贵金属膜上的电介质的折射率变化非常敏感；当金属薄膜上的电介质作为一种待测分析物时,就可以通过测量共振波长或共振角度的变化,达到对待测分析物折射率的检测的目的。共振传感原理表面等离子体10两根SPPs波导和一个充满乙醇的矩形谐振腔构成；光可以通过纳米光纤耦合进入传感器,输出光可以通过JY共焦拉曼显微镜来测得。纳米传感器模型工作原理石醇的折射率定义为：上式中Ｔ0＝20℃是室温，Ｔ是环境温度。我们选择乙醇的原因是乙醇的热光吸收较高，而二氧化硅的热光系数约为a＝8.6ｘ10（-6），及银的热光系数约等于9.3ｘ10（-6）。因为乙醇的热光系数比银和二氧化硅的热光系数高二次方，在分析温度传感时，温度变化对银和二氧化硅折射率的影响可以忽略不计。11温度传感器温度传感器是指能感知温度并转换成其他可测输出信号的传感器。温度传感器是日常生活中温度测量仪器的核心部件。由于传统技术成熟性，以电为基础的温度计依然是最受欢迎的传感装置。电为基础的温度传感器主要有四类：热电偶、热敏电阻、电阻式温度检测器、集成电路温度传感器。12SPPs纳米温度传感器理论模型它由两根ＳＰＰｓ波导和一个矩形谐振腔构成。该矩形纳米腔内被填充满了乙醇，实验上可以通过毛细管吸引力把乙醇填充进去。对该结构需要指出的是－乙醇是被银膜上表面的其他介质被密封在矩形腔内的，而该部分并没有在图中绘出。图中的绿色部分、黄色部分和紫色部分分别表示乙醇、银和二氧化娃基底，狭缝区域材料为空气。该结构可以通过通过聚焦离子束技术或者先把银膜沉积在基底上，再刻蚀银膜，制造方法在文献中有详细描述。光可以通过纳米光纤耦合进入传感器，输出光可以通过JY共焦拉曼显微镜来测。为减少计算需要的内存和减轻计算负担，我们在本文中执行二维时域有限差分法仿真。二维模型如图所示，d是狭缝波导的缝宽，w是狭缝波导与矩形腔的賴合距离，L和H分别为矩形腔的长度和高度。13工作原理众所周知，在金属－绝缘介质－金属（MIM）波导中，ＴＭ波的基模的色散关系可写成上式中，Kz1和Kz2通过动量守恒Ed和Em分别为电解质和金属的介电常数，β是SPPs的传输常数，k0＝２π／λ是自由空间中的波矢量。银的复介电常数采用Palik实验数据并通过插值的方法用到仿真中。14工作原理石醇的折射率定义为：上式中Ｔ0＝20℃是室温，Ｔ是环境温度。我们选择乙醇的原因是乙醇的热光吸收较高，而二氧化硅的热光系数约为a＝8.6ｘ10（-6），及银的热光系数约等于9.3ｘ10（-6）。因为乙醇的热光系数比银和二氧化硅的热光系数高二次方，在分析温度传感时，温度变化对银和二氧化硅折射率的影响可以忽略不计。15工作原理狭缝宽分别取d=50nm，d=100nm，d=150nm，波长分别取λ＝600nm，λ=1000nm，λ=1550nm，银－乙醇－银狭缝波导结构的ＳＰＰｓ有效折射率（neff=real（β/k0））与温度的关系如图所示。很显然，ＳＰＰｓ的有效折射率随着温度的增加而减小，在-100℃~60℃的范围内，有效折射率是关于温度的线性函数。16工作原理根据时间耦合模理论，该传感器的传输T1可以表述为：上式中是由于SPPs本征损耗引起的衰减率，和分别为左边SPPs波导与腔的耦合效率以及腔与右边SPPs波导耦合效率，在我们的结构中，在该矩形腔中，SPPs每次往返的累积相移为：上式中，是SPPs在矩形腔末端金属壁产生的相移，neff是SPPs的有效折射率，L是矩形腔长度。在共振波长，入射光强能够通过矩形腔并会在传输谱产生峰值，共振时的相位关系有：上式中m为整数，根据恒等式，共振波长可以写为：17工作原理只有满足上式的波长，才能在该结构中有效传输。共振波长与SPPs的有效折射率成正比，又因为有效折射率与温度是成反比关系，因此可以得到共振波长与温度成反比的关系，其比例系数（温度灵敏度）为：等离子体波导与乙醇密封矩形腔耦合结构能够用来测量温度主要是源于该纳米结构对介质材料折射率变化的灵敏性。随着温度的增加，由于热光效应乙醇的折射率会随之减小，导致SPPs的有效折射率的变化和共振波长的漂移。为了调查该结构的温度传感特性，我们利用FDTD方法来建立物理模型，在仿真中，模型所有外部边界取PML，在狭缝左进端口设置ＴＭ波作为激励源，在x和y方向的网格大小设置为5nm×5nm，时间步长可由柯朗条件推出。18工作原理上式中，ｃ表示真空中的光速。设置两个功率监督器P1和P2分别录激发功率（仿真去掉本章涉及的共振腔）和传输功率（有腔结构）。P1和P2距离设置为1400nm。该传感器的传输定文为T1=Pout/Pin。当波长满足恒等式时，这些波长将获得最大的传输。19温度响应特性在这提出了一个可用温度传感的金属纳米结构。该结构的两根金属－介质－金属波导通过环形腔来耦合。20温度响应特性21温度响应特性由图可知，输入波长在500nm-2000nm的范围，该纳米结构的ＳＰＰｓ传输谱存在3个传输峰，峰值对应波长分别为526nm，760nm1488nm。为便于分析，我们把这三个峰分别标注为峰1，峰2，和峰3。很明显，峰1的传输超过85%，峰2约为78%，峰3约为55%，其中峰3的损耗是最大的，原因是同结构、不同波长对应的传输常数虚部（虚部表示传输损耗）不同。22温度响应特性23作为温度传感器，我们首先需要找到一种热光系数比较高的液体，之后把它填充到狭缝和环里面，最后对液体进行密封。在本次研讨中，我们填充液体选取的是乙醇。乙醇的热光系数高达3.94×10^-4。温度响应特性124图中显示了峰值波长漂移与温度的关系。当温度由-100℃增加到78℃，传输峰1，2，3对应的波长漂移量分别为35．83nm，54.28nm，109.35nm。根据温度传感器灵敏度的定义计算得传输峰1，2，3的温度灵敏度分别为0.19nm/℃，0.29nm/℃，0.58nm/℃。温度响应特性25表明乙醇折射率随温度升高是线性减小的。因此，该结构密封乙醇后，传输谱的峰值波长漂移与温度变化成线性关系，随着温度增加，峰值波长向短波方向发生漂移。应用前景26例1：纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。因此，可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪，检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。例2：光纤温度传感器在过去的二十年得到了广泛的研究和应用，比如光纤布拉格光栅、大周期光纤光栅、以及各种各样的光纤干涉仪和其他有趣的结构。应用前景27近年来，随着纳米加工技术的进步，表面等离子体温度传感器被提了出来并得到了相关理论研究和实验研究现代信息技术对光电子器件的微型化和高度集成化的要求，需要我们把器件的尺寸和空间距离做的越来越小（均要突破光学衍射极限）。由于基于传统光学的基本原理和技术受到光的衍射极限的限制，使得科学家迫切需要找到实现突破衍射极限的新机理和新技术，从而实现光学信号在纳米尺度上的传输、操控和相关技术应用等，而利用表面等离子体可解决这些难题。表面等离子体激元在光子学、数据存储、显微镜、太阳能电池、生物传感等领域具有广阔的应用前景。应用前景28充分利用纳米材料的异常光学特性、电学特性、磁学特性、力学特性、敏感特性、催化与化学特性等。开发高技术新产品，以及对传统材料改性。纳米技术的应用逐渐渗透到涉及国计民生的各个领域，将产生新的经济增长点。绿色环保。参考文献[1]T.D.Vo,J.KtemperaturesensorHe,E.Magi,etal.Chalcogenidefiber-baseddistributedwithsub-centimeterspatialresolutionandenhancedaccuracy[J].Opt.Express,2014,22(2):1560-1568.[2]Q.Q.Cheng,T.Li,L.Li,etal.Modedivisionmultiplexinginapolymer-loadedplasmonicplanarwaveguide[J].Opt.Lett.2014,39(13):3900-3902.[3]T.S.YM.Liu,Z.Yu,etal.Thesensingcharacteristicsofplasmonicwaveguidewitharingresonator[J].Opt.Express,2014,22(7):7669-7677.[4]T.S.Wu,Y.M.Liu,Z.YYu,etal.Thesensingcharacteristicsofplasrnonicwaveguidewithasingledefect[J].Opt.Commun.2014,232:44--48.[5]TieshengWu,YuminLiu,ZhongyuanYu,etal.AnanometericSensorbasedonplasmonicwaveguidewithanethanol-sealedrectangularcavity[J].Opt.Commun.2015,339:1-6.29材料科学与工程学院东南大学MaterialsScienceandEngineering,SoutheastUniversity感谢聆听ThanksforListening