基于石墨烯表面等离子体的温度传感器设计

王国庆, 王全全*, 史 优, 朱 剑

(1. 南京邮电大学通信与信息工程学院, 南京 210003; 2. 中兴通讯股份有限公司无线产品经营部, 南京 210012)

传统光纤光栅温度传感器制作工艺繁琐、耦合效率低、结构复杂[1]．研究人员对其进行了不断地优化, 如Zhou等[2]提出一种长周期光栅传感器, 温度灵敏度最高可达0.37 nm·℃-1, 且测温范围广、成本低; 何赛灵团队[3]采用涂覆聚乙烯醇的Bragg光栅结构传感器能同时测量湿度和温度; Hsu等[4]通过在光栅传感器上涂覆聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸导电聚合物,使传感器灵敏度在30～100 ℃范围内达到0.052 nm·℃-1, 但该导电聚合物保存条件严苛, 对人体具有刺激性．

随着纳米光子学和制造工艺的进步, 越来越多的光电器件逐渐趋于微型化、集成化．但是由于衍射极限的限制, 光电器件尺寸进一步减小可能会导致能量损耗等问题．基于表面等离子体(surface plasmons, SPs)[5]的温度传感器能突破衍射极限, 显著缩小器件尺寸．激发SPs的结构有波导结构[6]、棱镜结构[7]和光栅结构等,其中光栅结构具有体积小、传输损耗小、兼容性强等优点, 且该类结构产生的共振波长对温度、折射率、浓度等外界环境的变化较敏感．Ibrahim等[8]用铝光栅结构设计了液体温度传感器, 可在紧凑和简单的设备中实现宽温度范围内高灵敏度非接触式传感．研究还表明, 使用贵金属(如金、银等)可大幅提高光栅SPs传感器的灵敏度[9-10]．

石墨烯材料拥有优异的电磁特性[11]、电导率和导热性能．通过调节石墨烯的电导率,可以支持SPs的传播．相较于传统材料,电磁波在石墨烯SPs结构中具有更好的局域性[12], 且石墨烯SPs传输损耗小,抗干扰能力强,在生产制造时容易微型化和集成化．故本文设计了一种基于石墨烯SPs的光栅型温度传感器结构,拟在仿真实验中优化光栅的厚度、宽度和间隔的尺寸以获得最小反射率．同时,分析比较乙醇、蒸馏水和甘油等常用传感介质的反射谱和温度灵敏度,为高精度测温传感器的设计研发提供参考．

1 温度传感器结构和参数

温度传感器采用基于石墨烯的SPs光栅结构, 其结构单元如图1所示．图1中的传感介质厚度h为300 nm, 由水、乙醇或甘油等具有良好热光系数的温敏材料组成; 石墨烯层厚度为0.334 nm, 用以增强SPs的局域性; Ag层厚度为H1, 光栅凹槽底部到Ag层底部的距离为H2, 光栅宽度为w、间隔为d, Ag的理化性质较稳定, 可降低SPs的传输损耗, 提高电磁波在SPs结构中的局域效果; 半导体层材料为砷化镓-磷化铟(GaAs-InAs-GaP-InP), 厚度为200 nm, 其稳定性极强, 不易被非氧化性的酸侵蚀, 其与石墨烯均可降低SPs传输损耗和补偿金属产生的欧姆损耗; 衬底层为SiC, 厚度400 nm, 其导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好．设Oxy平面坐标系原点位于Ag层底部上方10 nm处，如图1所示。

图1 石墨烯周期性光栅结构单元Fig.1 Graphene periodic grating structure

传感介质层材料折射率与温度之间的关系表达式为:nT=n0+(T-T0)εn0．式中nT表示材料在温度T时的折射率;n0表示材料在常温T0=20 ℃时的折射率, 乙醇、蒸馏水、甘油的常温折射率分别为1.362 、1.333 、1.471;ε表示材料的热光系数, 常温下乙醇、蒸馏水、甘油的热光系数分别为-0.000 3、-0.000 1、-0.000 5 ℃-1．

GaAs-InAs-GaP-InP和SiC的材料特性在COMSOL仿真软件材料库中直接获取, 设入射波波长范围为1 600～2 100 nm, 两者的常温折射率分别为3.41和2.56．

2 仿真设计

为优化温度传感器的结构性能, 在COMSOL仿真软件中分别对其主要结构设计变量进行参数化扫描, 将多个仿真结果进行比较分析．图2为不同厚度H1、H2和不同宽度w、d时温度传感器的反射谱仿真实验结果．图2(a)显示, 在共振时, 反射波会极大减弱,反射率降低至最小值, 当H1为210 nm时, 其最小反射率相对于其他Ag层厚度下的最小反射率更低, 对应的共振波长为1 860 nm, 说明石墨烯表面反射的能量最小, 表面存储的能量最多, 品质因子[12]最大, 局域效果最佳．图2(b)结果表明,H2为80 nm时, 其最小反射率为0.07, 相对其他H2尺寸下的最小反射率更低, 对应的共振波长为1 872 nm．图2(c)表明, 当w为550 nm时最小反射率最低, 对应的共振波长为1 950 nm．图2(d)表明, 当d取40 nm时能获得最小的反射率, 其共振波长为1 900 nm．

图2 不同结构条件下的温度传感器反射谱Fig.2 Reflection spectra of temperature sensor under different conditions

确定上述合适结构尺寸后, 采用实验中最低反射率对应的入射波长1 900 nm(见图2(d)), 仿真得到如图3所示的石墨烯层电场强度分布图．图3显示电磁波在石墨烯表面的局域效果良好．这是因为当入射光作用在石墨烯光栅结构上时,石墨烯中的自由电子和具有相同共振频率的光子发生集体振荡,在石墨烯表面激发出SPs．

图3 石墨烯层的电场强度分布图Fig.3 Electric field intensity distribution of graphene layer

3 温度传感器灵敏度

图4 不同传感介质在不同温度时的反射谱Fig.4 Reflection spectra of different sensing media at different temperatures

4 总结

本文设计了一种基于石墨烯SPs光栅结构的温度传感器．通过仿真软件对光栅厚度、光栅宽度和光栅间隔等结构尺寸进行参数化扫描,分析其反射谱的共振波长以及反射率,从而对其结构尺寸进行优化．在此基础上,分别选取乙醇、蒸馏水和甘油作为传感介质分析其共振波长随温度的变化情况,结果表明使用甘油作为传感介质时测温灵敏度最高．该传感器有望应用于航空航天、精密仪器等领域．