基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器，该基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器包括自下而上依次连接的光栅层、缺陷层、光子晶体层、基底层。光栅层间隔设置于缺陷层的一侧，置于被测气体环境中；缺陷层的另一侧与光子晶体结构的一侧连接与被测气体接触；光子晶体结构的另一侧与基底层连接；光子晶体结构由大于或等于9层的周期排列的两种聚合物材料制成；基底层同样由聚合物材料制作(材料的选择详见正文)。本发明专利技术通过测量谐振峰在频谱或角谱的偏移来获得被测气体的折射率变化量，仿真结果表明其典型的频率灵敏度高达4.682THz/RIU，角度灵敏度高达132.11°/RIU。本发明专利技术所使用的结构简单，材料的制备和器件的制作成本明显低于基于石墨烯或半导体硅的太赫兹气体传感器，灵敏度指标优于基于半导体硅的太赫兹气体传感器。

Terahertz gas sensor based on polymer Bloch surface wave

【技术实现步骤摘要】
基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器
本专利技术涉及气体传感器
，尤其涉及基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器。
技术介绍
随着科技的逐渐进步，人们对于光谱的研究也逐渐扩大范围，太赫兹频段(0.1THz～10THz)逐渐成为研究的方向。该频段的电磁波为非电离电磁波，相比于美国联邦通信委员会(FCC)定义的10eV，具有低得多的光子能量(1THz对应4meV)，它被认为是一种有效的非破坏性，非接触式和无标记的生物检测光学方法。正是由于这种特殊的性质，太赫兹波更适合应用于包括生物成像、食品检测及气体污染检测等领域。布洛赫表面波(BlochSurfacewave,简称BSW)是只存在于全介电光子晶体结构中，沿着被截断的光子晶体表面传播。光子晶体指的是不同介电常数的材料周期性排布在空间中所形成的结构。当电磁波在对称性结构的介电材料中传输时，布里渊区边缘出现光子带隙。这是因为布洛赫定理，将由于材料不同导致的折射率周期性变化看作是平均折射率受到微扰的结果。当处于该带隙的频率的电磁波在光子晶体结构中传播时，电磁波只有虚部没有实部，只能以呈指数衰减的消逝波形式存在，无法以波动形式传播。当在光子晶体结构末端单独引入一层介电材料时，可能激发布洛赫表面波。由于被测气体的折射率不同，则产生不同的微扰，激发不同频率的布洛赫表面波。目前的太赫兹气体探测研究，材料方面主要以Si、Si3N4等半导体材料或可产生表面等离激元的贵金属(金和银)以及石墨烯为主，太赫兹气体探测器的材料制备、器件制作成本相比于本专利技术要高很多。目前基于光子晶体的太赫兹气体传感器，基于单层石墨烯表面等离激元技术的太赫兹气体传感器，该技术在角度谱检测方面能达到较大灵敏度，但在频率谱检测方面灵敏度没有研究；另外，太赫兹气体传感器的材料一般选择具有高纯度的半导体材料，如高纯度硅、砷化镓、磷化铟，这些材料的制备需要较高的工艺和成本；另外，石墨烯大面积制备工艺尚未成熟，且单层石墨烯的厚度小于1纳米，器件的制作要求及其精密；再次，为了实现不同折射率的气体探测与传感，需外加电压实现费米能级的调控。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器，通过采用有机聚合物制备的一维光子晶体结构应用到太赫兹气体传感器中，从而降低了光子晶体结构的加工工艺。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器，包括自下而上依次连接的光栅层、缺陷层、光子晶体结构及基底层，所述光栅层间隔设置于所述缺陷层的一侧，所述缺陷层的另一侧与光子晶体结构的一侧连接，所述光子晶体结构的另一侧与基底层连接，所述光子晶体结构由聚合物材料制成。作为一种改进，所述光子晶体结构包括N个周期交替堆积的单周期光子晶体结构，所述单周期光子晶体结构包括交叠的第一介电层和第二介电层，所述光子晶体结构的一侧通过第一介电层与所述缺陷层连接，所述光子晶体结构的另一侧通过第二介电层与所述基底层连接。作为一种改进，所述第一介电层的折射率小于所述第二介电层的折射率，所述第一介电层的厚度大于所述第二介电层的厚度，所述缺陷层的厚度大于所述第一介电层的厚度。作为一种改进，所述第一介电层由聚偏氟乙烯(PVDF)、对二甲苯、光敏化树脂(SLA)、环氧基干膜抗蚀剂、高密度聚乙烯(HDPE)、聚四氟乙烯(Teflon)、聚4-甲基戊烯-1(TPX)中的任意一种聚合物材料制成。作为一种改进，所述第二介电层由聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)、聚苯乙烯(PS)、涤纶树脂(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的任意一种折射率比第一介电层低的聚合物材料制成。作为一种改进，所述第一介电层与所述第二介电层之间通过连续沉积方法、高温蒸汽法、或者旋涂法连接。作为一种改进，所述N大于等于9。作为一种改进，所述缺陷层和所述基底层也均由聚合物材料制成。作为一种改进，所述缺陷层的厚度在20-100μm之间。本专利技术提供的基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器，具有以下优点：通过在太赫兹气体传感器内部依次设置有光栅层、缺陷层、光子晶体结构以及基底层，缺陷层的一侧与光子晶体结构的一侧连接，光子晶体结构的另一侧与基底层连接，光子晶体结构由聚合物材料制成，并且将一维光子晶体结构由原来的本征半导体硅或其他高纯度的半导体材料替换为有机聚合物，从而简化了一维光子晶体结构的加工工艺。并且本专利技术同时具有很高的角度灵敏度～132.11°/RIU以及频率灵敏度～4.682THz/RIU。附图说明图1为本专利技术一实施例提供的基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器的截面图。图2为图1中基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器的工作时太赫兹波的出入方向的示意图。图3为图2中基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器的一维聚合物光子晶体的色散曲线关系图。图4为图2中太赫兹波的入射角为60°时基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器的电场分布图。图5为图2中气体浓度分别为1.00和1.01时基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器的频率透射谱变化图。图6为图2中气体浓度分别为1.00和1.01时基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器的角度透射谱变化图。图中：10、光栅层；20、缺陷层；30、光子晶体结构；31、单周期光子晶体结构；311、第一介电层；312、第二介电层；40、基底层；50、太赫兹探测器。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参看图1，本专利技术的一实施方式提供了一种基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器，包括自下而上依次连接的光栅层10、缺陷层20、光子晶体结构30、基底层40，所述光栅层10间隔设置于所述缺陷层20的一侧，所述缺陷层20的另一侧与光子晶体结构30的一侧连接，所述光子晶体结构30的另一侧与基底层40连接，所述光子晶体结构30由聚合物材料制成，应当指出逇是，光子晶体结构30为一维光子晶体结构；具体地，所述光子晶体结构包括N个周期交替堆积的单周期光子晶体结构31，所述单周期光子晶体结构31包括交叠的第一介电层311和第二介电层312，所述第一介电层311比所述第二介电层312的数量多一个，所述光子晶体结构30的一侧通过第一介电层311与所述缺陷层20连接，所述光子晶体结构30的另一侧通过第二介电层311与所述基底层40连接；所述第一介电层311和所述第二介电层312之间采用旋涂法、蒸镀法、沉积法实现交替堆积。所述第一介电层由聚偏氟乙烯(PVDF)、对二甲苯、光敏化树脂(SLA)、环氧基干膜抗蚀剂、高密度聚乙烯(HDPE)、聚四氟乙烯(Teflon)、聚4-甲基戊烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器，包括自下而上依次连接的光栅层、缺陷层、光子晶体结构及基底层，其特征在于：所述光栅层间隔设置于所述缺陷层的一侧，所述缺陷层的另一侧与光子晶体结构的一侧连接，所述光子晶体结构的另一侧与基底层连接，所述光子晶体结构由聚合物材料制成。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器，包括自下而上依次连接的光栅层、缺陷层、光子晶体结构及基底层，其特征在于：所述光栅层间隔设置于所述缺陷层的一侧，所述缺陷层的另一侧与光子晶体结构的一侧连接，所述光子晶体结构的另一侧与基底层连接，所述光子晶体结构由聚合物材料制成。


2.如权利要求1所述的基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器，其特征在于：所述光子晶体结构包括N个周期交替堆积的单周期光子晶体结构，所述单周期光子晶体结构包括交叠的第一介电层和第二介电层，所述光子晶体结构的一侧通过第一介电层与所述缺陷层连接，所述光子晶体结构的另一侧通过第二介电层与所述基底层连接。


3.如权利要求2所述的基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器，其特征在于：所述第一介电层的折射率小于所述第二介电层的折射率，所述第一介电层的厚度大于所述第二介电层的厚度，所述缺陷层的厚度大于所述第一介电层的厚度。


4.如权利要求2所述的基于聚合物布洛赫表面波的太赫兹气体传感器，其特征在于：所述第一介电层由聚偏氟乙烯(PVDF)、对二甲苯、光敏化...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘强，张驰，欧阳征标，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44