第16讲+纳米光纤与传感器

2015/5/71第16讲:纳米光纤与传感器光纤传感器研究生课程董国艳中国科学院大学材料科学与光电技术学院2我们谈论的尺寸是多少?纳米到底有多小?3中国科学院大学材料科学与光电技术学院地球与乒乓球1nm:乒乓球＝乒乓球：地球PM2.52.5mPm2.5相当于头发直径的1/204中国科学院大学材料科学与光电技术学院•震动和冲击•比例和形状因素•承重能力–蜘蛛丝与钢铁对比•强度:钢的6倍•在-60℃时,仍保持良好的弹性•内含防腐物质大象与蚂蚁2015/5/725中国科学院大学材料科学与光电技术学院青蛙、水黾、壁虎6中国科学院大学材料科学与光电技术学院壁虎粘附系统•尝试模仿自然•例如:仿生研究宏观中观微观纳米结构单根刚毛1000个抹刀状末端1百万根脚毛(刚毛)7中国科学院大学材料科学与光电技术学院物质的比例—纳米及其它1,000,000纳米=1毫米(mm)1,000纳米=1微米(μm)1纳米(nm)微观世界纳米世界灰尘微粒↔200μm红细胞与白细胞~2-5μm蚂蚁~5mm~10nm直径腺苷三磷酸酶硅原子间隔~10多nmDNA~2-1/2nm直径大头针头1-2mm微机电装置10-100μm宽21世纪的挑战结合纳米尺度模块制造新奇的功能装置，例如，整体半导体存储的光合作用中心波带片X射线“透镜”~35nm纳米管电极纳米管晶体管铜表面上48个铁原子的量子栅栏用扫描隧道显微镜针尖一次放置一个栅栏直径14nm碳纳米管直径~2nm花粉粒自然物质人造物质8摩尔定律Moore’sLaw集成电路芯片上集成的晶体管的数目每隔18个月将会翻一番。2017年10亿芯片集成度最根本的挑战来自接近原子尺度时物质物理行为的变化。400419712,250800819722,500808019745,0008086197829,0002861982120,000386™1985275,000486™DX19891,180,000Pentium®19933,100,000PentiumII19977,500,000PentiumIII199924,000,000Pentium4200042,000,000摩尔定律出现年代晶体管为满足摩尔定律，线宽(半间距)要求100nm200570nm200850nm201135nm20142015/5/739中国科学院大学材料科学与光电技术学院•mm–重力,摩擦力,静电力•μm–静电力,范德华力,布朗力•nm–静电力,范德华力,布朗力,量子力学•Å–量子力学在纳米尺度导致一些反常的物理性质物理效应并不是随尺寸减小均匀变化的实例:不同尺寸的作用力-gravity•cm–重力,摩擦力-Brownian-quantum10中国科学院大学材料科学与光电技术学院纳米光纤与传感器纳米技术基础纳米光电传感器纳米光纤及其传感应用11中国科学院大学材料科学与光电技术学院什么是纳米技术？DNA分子宽2.5nm1nm:乒乓球＝乒乓球：地球以量子效应为主导的原子量级的现象NEMS：nano-electro-mechanicalsystems器件具有更高的灵敏度、更低的功耗、更小的体积[例]替代NEMS谐振器（RF信号处理器）电感和电容效果：尺寸↓100倍（80cm20.8cm2）；功耗↓100倍（300mW0.83mW）；效率和带宽↑10倍纳米技术是指在0.1—100nm范围内，研究纳米级物质的内在规律和特性，通过操纵原子、分子、原子团和分子团，使其重新排列组合，用于制造各种特定材料和器件的综合性科学技术。12中国科学院大学材料科学与光电技术学院NEMS的研究对象•原子和分子水平的制造、加工、设计、分析、优化、集成及合成等•新型材料（碳纳米管、分子线等）的应用和新的制造技术•需要解决的问题：–大规模制造、组装和自组装–新型高性能NEMS的设计：纳米开关、逻辑门、驱动器和传感器的设计、研究、优化和制造等。预期NEMS在医疗与健康领域将获得广泛应用。2015/5/7413中国科学院大学材料科学与光电技术学院仿生系统•仿生系统以生物学原理为基础，采用自装配和其他方法来构造仿生系统和材料。•生物纳米马达－鞭毛复合体E.Coli细菌生物纳米马达将化学能电能机械能。生物纳米马达以细胞内膜内的质子或钠浓度梯度为能源。解释力矩产生、能量转换、运输和传感-反馈-控制的机理。14中国科学院大学材料科学与光电技术学院自下而上的方法原子，分子或其他基本单元被堆砌成理想的纳米结构.自上而下的方法一块基材被逐渐侵蚀直到得到理想的外形A•纳米加工通常可以根据制备方法分为两类.纳米制造技术名称加工技术线宽限制典型方法Top-down电子束光刻电子束蒸发各向同性腐蚀20nm尺寸愈小，成本愈高，偏差愈难维持Bottom-up分子、原子组装技术实验室研究阶段自组装法显微镜法15中国科学院大学材料科学与光电技术学院自上而下法激光干涉光刻术T双光子3D光刻术浸没光刻术X-射线光刻术超紫外光刻术纳米技术直接研磨复制技术电子束光刻术离子束光刻术光刻法聚焦离子束切削激光直写纳米压印注射成型UV铸造光刻胶自上而下法16中国科学院大学材料科学与光电技术学院自上而下的方法2015/5/7517中国科学院大学材料科学与光电技术学院超分子组装纳米粒子构造单分子层自组装直接自组装扫描探针光刻术自下而上法多为化学法assembly:组装18中国科学院大学材料科学与光电技术学院自下而上的方法19中国科学院大学材料科学与光电技术学院纳米科学的基本效应当宏观物体减小到纳米尺度时，主要表现为体积效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应四大效应，将显示出在光学、热学、电学、磁学、力学以及化学等方面与大体积物体明显不同的特性。20中国科学院大学材料科学与光电技术学院纳米传感器的典型结构•纳米探针携带激光光束(深色)穿透活细胞探测癌症标识物质D=50nm325nm激光激发尖顶处抗体复合物，使之发出荧光。结合不同细胞制剂的抗体，纳米传感器能用来监视蛋白质和其他粒子的存在。2015/5/7621中国科学院大学材料科学与光电技术学院碳纳米管•1985，Kroto(SussexU.)和Smalley（RiceU.)：笼状的C60接触石墨电极，在He气中通电大量生产富勒烯(Fullerens球壳状碳分子)。•1991，Ijima：两个电极—产生电火花，阴极发现“碳针”多壁碳纳米管(MWNT)•添加Co或Fe的石墨电极生长出单壁碳纳米管（SWNT），•多壁与单壁碳管22中国科学院大学材料科学与光电技术学院碳纳米管的特性特性技术指标或现状导电性微电子线宽180nm或130nm；可使导线宽至少下降一个量级半导性可具有半导性－做成晶体管，起开关或放大作用（2001年出现重大进展）力学性能SWNT强度高，是非常好的补强材料；刚性好，可做成很长的STM探针－显著提高分辨率与探测深度。场发射特性合成毫米量级的大面积定向阵列，制成碳纳米管显示器量与成本2001，CNI－200g碳管500美元/克2002，CNI产量～9公斤/天2001，9月，清华的金涌组用气相法生产MWNT，产量达15公斤/小时，年计算可达120吨。目前价格~1200元/公斤。23中国科学院大学材料科学与光电技术学院碳纳米管传感器•碳纳米管：作为传感器导线实现特殊的电性能和传感器的微型化新型的传感器用硅导线在导线中掺锗以调制其电特性导线交叠组装24中国科学院大学材料科学与光电技术学院近场光学元件•NEMS结构提供了一种利用倏逝波的方便途径。•光学领域，纳米孔径和暴露的平面波导产生倏逝波场。•近场扫描光学显微镜=MEMS悬臂梁＋纳米孔径原子力显微镜及其探针结构2015/5/7725中国科学院大学材料科学与光电技术学院低噪声放大器扫描驱动器分离控制光检测器光纤PZT扫描仪框架与组成探针样品PZT扫描仪光源扫描近场光学显微镜-SNOM耦合器压电陶瓷管26中国科学院大学材料科学与光电技术学院孔径探针-光纤探针直孔径光纤探针byNT-MDTcorp.byNanonicscorp.bySeikocorp.弯曲孔径光纤探针27中国科学院大学材料科学与光电技术学院光学镊子•强聚焦光操作数微米尺寸的微粒。•目前还没有基于NEMS技术的光学镊子，但集成的MEMS光学镊子对纳米技术非常有用操作微化学系统中的粒子甚至分子•生物结构在人类细胞水平上被修改。这对于人类健康和保健的意义是惊人的。移动B粒子，C粒子正在作布朗运动。ABCBCBCBB粒子被捕捉-图中光点為聚焦激光打到粒子的散射光。A粒子黏在盖玻片。B粒子將捕捉。C粒子懸浮於水溶液。28中国科学院大学材料科学与光电技术学院纳米生物器件•生物分子电机–美国Cornell大学–ATP分子(三磷酸腺苷酶)＋金属镍制成的桨片Φ150nm×750nm＋金属镍柱体Φ80nm×200nm–平均速度4.8trn/s，运行时间长达40min～2.5hrs•纳米谐振器：–美国GeorgiaPolytechnic王中林教授.–利用多壁碳纳米管，通过其共振频率的变化可称出30fg(10-15g)的碳微粒的质量分子秤(分子或细菌的质量)2015/5/7829中国科学院大学材料科学与光电技术学院纳米传感器•纳米气体传感器•微机械加工的纳米级SNOM传感器–scanningnear-fieldopticalmicroscope气体碳纳米管亚波长分辨率与光源波长无关，由光探针口径和探针与样品之间间距决定。光探针恒高光的显微图像光强度恒定样品表面形貌30中国科学院大学材料科学与光电技术学院微纳光纤•微纳光纤及其特性D，光纤内外电磁场都很强，当D/2时光功率最大•微纳光纤传感器4-μmdiameter150-nmdiameterSingle-modefiberHairHairHairNanofiber125μm60μm500nm31中国科学院大学材料科学与光电技术学院Despiteofitsthindiameter,ananofiberisvisibletothenakedeyeduetoitslargelength.A350-nm-diameternanofibercapturedbyadigitalcamerausingclose-upmode,thefiberisilluminatedbya633-nm-wavelengthlightguidedalongit32中国科学院大学材料科学与光电技术学院F.P.Payneetal.,SPIE1504,165(1991)J.Buresetal.,J.Opt.Soc.Am.A16,1992(1999)L.Tongetal.,Nature426,816(2003)…TaperdrawingoffibersheatedbyflameTaperdrawingofopticalfiberstodiameter1μm2015/5/7933中国科学院大学材料科学与光电技术学院（D=360nm,λ=633nm）L.Tongetal.,Nature426,816(2003).34中国科学院大学材料科学与光电技术学院L.Tongetal.,Nature426,816(2003).光学传感应用光场约束强传输损耗低维持相干性大比例倏逝波大波导色散传输特性35中国科学院大学材料科学与光电技术学院Poynting矢量(基模能量分布)D=800nm,η95%倏逝场D=600nmD=500nm全反射过程中，倏逝场进入周围空气或真空的深度36中国科学院大学材料科学与光电技术学院Poynting矢量(基模能量分布)D=400nmD=300nmD=200nm,η10%倏逝场纳米光纤的核心特征：大部分光沿光纤外部传输。2015/5/71037中国科学院大学材料科学与光电技术学院D(nm)400800120016000.00.20.40.60.81.0633nm1550nmSilica/airD=200nm90%energyisguidedintheairEvanescentfieldL.