【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及傳感器件，具體的說是一種基于石墨烯fano共振的太赫茲傳感器及其調控方法和應用。
技術介紹
1、太赫茲波位于電磁譜的一個特定區域，頻率介于紅外光和微波之間，波長在0.1毫米至1毫米之間，被稱為“太赫茲間隙”。近年來，太赫茲波因其具有穿透性強、與物質相互作用顯著以及無電離輻射等獨特特性，在許多領域中有著重要的應用潛力。超材料是一種由人工合成的周期性亞波長結構電磁材料，具有超出傳統天然材料范疇的光學特性。由超材料設計的光學器件在太赫茲技術中得到了廣泛的應用，突破了大多數傳統材料無法在太赫茲波段產生強烈電磁響應的限制，極大地改變了調控太赫茲波的傳統方法。
2、石墨烯是一種由單層碳原子構成的二維材料，具有出色的電學和光學性能。石墨烯在可見光范圍內具有極高的透明性，僅有2.3％的吸光率，使得石墨烯表面可以實現全內反射。并且，石墨烯能夠在太赫茲波段激發出表面等離子體共振(spr)，它可以增強太赫茲波與石墨烯之間的相互作用，從而產生了局域電磁場增強效應。通過改變石墨烯的偏置電壓可以調節石墨烯的費米能級，改變spr的頻率，實現共振峰的動態可調諧。此外，石墨烯本身具有高效的載流子遷移率，這意味著它能夠迅速響應外部電磁場的變化。相比于貴金屬制作的光學器件，石墨烯具有更好的可調諧性和較低的阻尼損耗，使得太赫茲傳感器能夠實現更高的質量因子，從而提高傳感性能。這些特性使得石墨烯在太赫茲傳感方面具有廣泛的應用潛力。
3、現有技術中已經公開有一些基于石墨烯的太赫茲傳感器，如公開號為cn117007186a，專利名稱為基于
4、fano共振是一種由離散態和連續態之間的相互作用引起的量子干涉效應，等離子體結構中可激發兩種特征的共振模式：窄帶的亞輻射(暗態)共振和寬帶的超輻射(亮態)共振模式，通過共振模式間的干涉相消可產生fano線型，引起太赫茲波的共振增強、透明窗口形成和非線性光學效應產生，從而提高傳感器的靈敏度和質量因子。此外，fano共振具有局域場增強響應，通過感知結構周圍介電環境的改變和被測樣品中微弱的相互作用，使得共振峰的頻率、幅度或者相位發生變化，在設計高靈敏度太赫茲傳感器方面有著獨特的優勢，而基于石墨烯和fano共振制備太赫茲傳感器的方案現有技術中鮮有報道。
技術實現思路
1、本專利技術旨在提供一種基于石墨烯fano共振的太赫茲傳感器及其調控方法和應用，通過將fano共振與石墨烯太赫茲傳感器相結合，進一步提高太赫茲傳感器的傳感性能。
2、為了實現上述目的，本專利技術采用的具體方案為：一種基于石墨烯fano共振的太赫茲傳感器，包括襯底層、介質層和石墨烯層，石墨烯層包括至少一個設置在介質層上的單元結構，單元結構包括平行間隔設置的兩條長石墨烯帶和設置在兩條長石墨烯帶之間的四條短石墨烯帶，四條短石墨烯兩兩對稱設置在兩條長石墨烯帶的兩端，且短石墨烯帶的外端與長石墨烯帶的端部齊平。
3、作為上述技術方案的進一步優化，所述的單元結構數量為多個，介質層的表面沿x和y方向分為多個陣列分布的石墨烯帶設置區，每個石墨烯帶設置區均為正方形，每個石墨烯帶設置區設置一個所述的單元結構，所有單元結構的長石墨烯帶均同向分布。
4、作為上述技術方案的進一步優化，所述的單元結構數量為4個，并在介質層表面沿x和y方向陣列分布，沿長石墨烯帶長度方向設置的兩個單元結構的長石墨烯帶連續。
5、作為上述技術方案的進一步優化，石墨烯的費米能級為0.3ev～1.0ev。
6、作為上述技術方案的進一步優化，襯底層的材質為金屬薄膜。
7、作為上述技術方案的進一步優化，介質層的材質為聚環烯烴共聚物。
8、一種基于石墨烯fano共振的太赫茲傳感器的調控方法，通過改變長石墨烯帶和短石墨烯帶的結構參數，或者通過外加偏置電壓改變石墨烯的費米能級，調節傳感器對太赫茲波的吸收頻率；
9、其中，所述的結構參數包括：長石墨烯帶長l1、短石墨烯帶寬l2、長石墨烯帶與中心點距離s1、短石墨烯帶與中心點距離s2以及短石墨烯帶的間距g。
10、一種石墨烯fano共振的太赫茲傳感器的調控方法，通過改變待測物的厚度和/或采用不同折射率的待測物，調節傳感器的吸收光譜和傳感性能。
11、一種基于石墨烯fano共振的太赫茲傳感器的傳感性能評價方法，傳感性能包括品質因子(quality,q)、靈敏度(sensitivity,s)和品質因數fom值(figureofmerit,fom)；
12、所述品質因子如公式(1)表示：
13、
14、其中，f表示諧振峰的諧振頻率，fwhm表示諧振峰的半峰全寬；
15、所述靈敏度如公式(2)表示：
16、
17、其中，δf為諧振峰的頻移量；δn為折射率的變化量，單位為thz/riu(refractiveindexunit,riu)；
18、結合公式(1)和(2)得到品質因數fom值，fom值如公式(3)表示：
19、
20、一種基于石墨烯fano共振的太赫茲傳感器在檢測生物分子中的應用，將待測物涂抹于石墨烯帶的表面。
21、與現有技術相比，本專利技術的有益效果如下：
22、本專利技術通過將fano共振與石墨烯太赫茲傳感器相結合，利用電場和磁場作用引起的電偶極子諧振，產生fano共振現象，通過明暗模式之間的相消干涉作用，有效降低輻射損耗，提高傳感器的q值。
23、本專利技術的太赫茲傳感器在3～9thz頻率范圍內產生了2個窄帶吸收峰，實現了太赫茲波的傳感效果。該太赫茲傳感器結構簡單、可主動調諧，調控范圍廣，具有良好的傳感性能，在生物醫學和樣本檢測方面有重要的應用潛力。
24、本專利技術通過對石墨烯費米能級的調控，能夠增強傳感器的靈活性和應用范圍。
25、本專利技術的最高傳感靈敏度可達1.548thz/riu，相較于現有的太赫茲超材料折射率傳感器，有效解決了靈敏度偏低的問題。本專利技術提出的傳感器不僅性能優越，而且可以降低檢測成本。
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1.一種基于石墨烯Fano共振的太赫茲傳感器，包括襯底層(1)、介質層(2)和石墨烯層，其特征在于，石墨烯層包括至少一個設置在介質層(2)上的單元結構，單元結構包括平行間隔設置的兩條長石墨烯帶(3)和設置在兩條長石墨烯帶(3)之間的四條短石墨烯帶(4)，四條短石墨烯(4)兩兩對稱設置在兩條長石墨烯帶(3)的兩端，且短石墨烯帶(4)的外端與長石墨烯帶(3)的端部齊平。
2.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯Fano共振的太赫茲傳感器，其特征在于，所述的單元結構數量為多個，介質層(2)的表面沿X和Y方向分為多個陣列分布的石墨烯帶設置區，每個石墨烯帶設置區均為正方形，每個石墨烯帶設置區設置一個所述的單元結構，所有單元結構的長石墨烯帶(3)均同向分布。
3.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯Fano共振的太赫茲傳感器，其特征在于，所述的單元結構數量為4個，并在介質層(2)表面沿X和Y方向陣列分布，沿長石墨烯帶(3)長度方向設置的兩個單元結構的長石墨烯帶(3)連續。
4.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯Fano共振的太赫茲傳感器，其特征在于，石墨烯的費
5.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯Fano共振的太赫茲傳感器，其特征在于，襯底層(1)的材質為金屬薄膜。
6.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯Fano共振的太赫茲傳感器，其特征在于，介質層(2)的材質為聚環烯烴共聚物。
7.一種如權利要求1-6中任一權利要求所述基于石墨烯Fano共振的太赫茲傳感器的調控方法，其特征在于，通過改變長石墨烯帶(3)和短石墨烯帶(4)的結構參數，或者通過外加偏置電壓改變石墨烯的費米能級，調節傳感器對太赫茲波的吸收頻率；
8.一種如權利要求1-6中任一權利要求所述基于石墨烯Fano共振的太赫茲傳感器的調控方法，其特征在于，通過改變待測物的厚度和/或采用不同折射率的待測物，調節傳感器的吸收光譜和傳感性能。
9.一種如權利要求1-6中任一權利要求所述基于石墨烯Fano共振的太赫茲傳感器的傳感性能評價方法，其特征在于，傳感性能包括品質因子Q、靈敏度S和品質因數FOM值，
10.一種如權利要求1-6中任一權利要求所述基于石墨烯Fano共振的太赫茲傳感器在檢測生物分子中的應用，其特征在于，將待測物涂抹于石墨烯帶的表面。
...【技術特征摘要】
1.一種基于石墨烯fano共振的太赫茲傳感器，包括襯底層(1)、介質層(2)和石墨烯層，其特征在于，石墨烯層包括至少一個設置在介質層(2)上的單元結構，單元結構包括平行間隔設置的兩條長石墨烯帶(3)和設置在兩條長石墨烯帶(3)之間的四條短石墨烯帶(4)，四條短石墨烯(4)兩兩對稱設置在兩條長石墨烯帶(3)的兩端，且短石墨烯帶(4)的外端與長石墨烯帶(3)的端部齊平。
2.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯fano共振的太赫茲傳感器，其特征在于，所述的單元結構數量為多個，介質層(2)的表面沿x和y方向分為多個陣列分布的石墨烯帶設置區，每個石墨烯帶設置區均為正方形，每個石墨烯帶設置區設置一個所述的單元結構，所有單元結構的長石墨烯帶(3)均同向分布。
3.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯fano共振的太赫茲傳感器，其特征在于，所述的單元結構數量為4個，并在介質層(2)表面沿x和y方向陣列分布，沿長石墨烯帶(3)長度方向設置的兩個單元結構的長石墨烯帶(3)連續。
4.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯fano共振的太赫茲傳感器，其特征在于，石墨烯的費米能級為0.3ev～1.0ev。<...
【專利技術屬性】
技術研發人員：付麥霞，劉夢祎，葉玉超，劉雪瑩，賀鈺博，韓江繪，徐嘉冉，
申請(專利權)人：河南工業大學，
類型：發明
國別省市：
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