应用于温度传感器的纳米功能材料ppt课件.pptx
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1、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),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
2、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
3、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
4、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020是室温,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a8.610(-6),及银的热光系数约等于9.310(-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
5、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
6、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,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,是SPPs的传输常数,
7、k0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020是室温,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a8.610(-6),及银的热光系数约等于9.310(-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600nm,=1000nm,=1550nm,银乙醇银狭缝波导结构的有效折射率(neff =real(/k0
8、)与温度的关系如图所示。很显然,的有效折射率随着温度的增加而减小,在-10060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,
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