基于石墨烯等离激元的表面红外增强用于分子指纹探测--数值模拟研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱,据此可以对分子进行结构分析和鉴定。红外光谱通过探测各种分子和化合物的基团振动,能够有效表征分子振动和转动指纹,在材料分析中发挥着越来越重要的作用。但是,由于红外光的波长(微米级)比典型分子尺寸(纳米级)大三个数量级,因此红外光与分子之间的相互作用十分微弱,导致红外光谱检测分子的灵敏度很低,难以获得微量纳米材料的红外光谱。严重限制了其基于微量检测的应用。而近年来纳米材料和技术的快速发展,对传统红外光谱的检测灵敏度提出了更高的要求。

表面等离激元是在导体表面区域的一种自由电子和光子相互作用而形成的电磁振荡。研究发现,在一定条件下(满足波矢匹配),当光波(电磁波)入射到介质与导体的分界面时,导体表面的自由电子发生集体振荡,电磁波与导体表面自由电子耦合而形成一种沿着导体表面传播的近场电磁波;如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致会产生共谐振荡,光子的能量可被谐振态的电子吸收,形成一种特殊的电磁模式:电磁场被局域在导体表面很小的范围内并发生增强,产生局域场增强效应。表面等离激元对入射光的强束缚,可以增强光与物质的相互作用,将红外光谱中的检测灵敏度显著提高几个数量级。表面增强红外吸收这种方法是1980年hartstein等人利用随机排列的ag纳米颗粒薄膜上产生的等离激元最先引入的。在随后的几十年中,大多数研究仍然集中在这种金属薄膜基底上。但是传统金属如金、银等在等离激元的应用上具有许多缺陷:首先,由于金属中自由电子密度高,难以改变其载流子浓度,所以激发频率很难被调整。其次,由于金属薄膜阻抗大,使得等离激元极化波传导过程中产生较高的欧姆损耗,难以应用到增强红外光谱中。

2004年,英国曼彻斯特大学的a.k. geim教授和k.s. novoselov教授使用机械剥离的方法首次从石墨中分离出了石墨烯。由于石墨烯独特的电子能带结构使其具有特殊的电学和光学性质,在多个领域掀起了研究热潮。随着石墨烯材料的研究深入,碳基纳米材料等离激元也受到国内外研究人员的关注。与激发频率不易调控且传输损耗较大的金属纳米结构上形成的等离激元相比,石墨烯等离激元具有激发频率可调、低能量损耗、共振频率低、电磁场的高度局域化等特点,在红外传感领域的应用前景更加广泛。但是,由于石墨烯是单原子层厚的二维材料,所有原子都处于表面态,使得石墨烯的光、电性质极易受周边介电环境的影响,导致石墨烯等离激元对纳米材料红外光谱的增强效果和增强波段受到影响。因此研究介电环境对石墨烯等离激元的性能调控是制备高性能红外增强传感器的重要基础。本课题通过有限元软件comsol multiphysics对石墨烯等离激元进行模拟仿真,通过有限元法得到有效激发的石墨烯等离激元;探究石墨烯表面等离激元的色散关系;研究通过改变石墨烯的几何尺寸和费米能级有效调控石墨烯等离激元的共振频率和消光强度。在此基础上,进一步探究石墨烯等离激元与介电环境的相互作用,实现基于石墨烯等离激元的表面红外增强,并用于分子指纹探测。这种方法有希望在诸多领域发挥作用,包括常规的化合物结构分析、 生物检测、 食品安全和化学反应等。

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2. 研究的基本内容与方案

材料制备:实验上,首先利用化学气相沉积法(cvd)制备石墨烯:以铜箔为基底,甲烷和氢气为原材料生长石墨烯,可以得到单层、大片且连续的石墨烯。接下来将制得的石墨烯加工成基于石墨烯等离激元的红外传感器件:利用离子反应刻蚀仪器刻蚀铜箔上没有生长石墨烯的一面,将其剪至所需大小,然后将其转移到器件基底上,利用电子束曝光、氧等离子体刻蚀和电子束蒸镀进行一系列处理,将不同基底上的石墨烯制成具有一定宽度的纳米条带阵列,其中条带宽度与间隔宽度为1:1,最终得到相应基底的基于石墨烯等离激元的红外传感器件。模拟上,在comsolmultiphysics仿真环境中建立石墨烯等离激元器件模型。与实验所制得的器件相对应,在软件中,将三维器件模型简化成二维模型(即三维器件的正视图)。其中,单层石墨烯纳米条带用具有相应条带宽度的线段表示,且设定为过度边界条件;基底用具有相应尺寸的矩形来代替,不同的基底用不同的材料参数区分。为了达到周期性条带阵列结构,左右两个边界设置为周期性边界条件,进行无限扩展。

材料表征:

1、石墨烯的表征:用拉曼光谱仪来表征所生长的石墨烯的质量与层数。石墨烯的拉曼光谱中,有三个特征峰决定了石墨烯的质量与层数,其一是主要特征峰即g峰,该峰能有效反映石墨烯的层数;第二个峰是d峰,用来判断石墨烯样品缺陷的多少;第三个峰是2d峰,当2d峰与g峰强度比值大于2时,一般可认为石墨烯为单层性质。

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第4-6周:按照设计方案,熟悉comsol multiphysics软件建模的基本方法和原理;

第7-8周:模拟出石墨烯等离激元在不同条件下的调控性能(不同条带宽度和不同费米能级);

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] garcia de abajo f j.graphene plasmonics: challenges and opportunities[j]. acs photonics, 2014,1(3): 135-152.

[2] yan h g, tony l, zhu w j, etal. damping pathways of mid-infrared plasmons in graphene nanostructures[j].nature photonics, 2013,7:394-399.

[3] hu h, liao b x, guo x d,et al. large-scale suspended graphene used as a transparent substrate forinfrared spectroscopy[j]. small, 2017,13:1-7.

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