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单层石墨烯带传输模式及其对气体分子振动谱的传感特性研究

杨晶晶 李俊杰 邓伟 程骋 黄铭

单层石墨烯带传输模式及其对气体分子振动谱的传感特性研究

杨晶晶, 李俊杰, 邓伟, 程骋, 黄铭
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  • 自2004年石墨烯被成功制备以来, 相关研究引起了广泛关注, 其中, 传感应用是一个重要方向. 目前, 有关石墨烯传感特性的研究都集中在低频, 即根据分子附着引起的电导率变化来实现检测. 然而, 由于大部分分子吸附都会使电导率发生变化, 因此该方法难以区分不同分子的特征. 论文基于Kubo公式, 结合数值仿真方法研究了单层石墨烯带的传输模式, 分析了有效模式指数与模式传输特性的关联, 证实了波导模的局域性和宽带特性. 同时, 利用一阶波导模与气体作用引起的传输强度的变化反演分子振动谱. 以SO2, CO和C7H8气体的传感为例, 基于本征分析验证了方法的有效性. 结果表明, 传输模式与分子作用能够产生耦合共振增强, 并且其变化趋势与气体分子振动谱一致; 在传输方向上, 分子与传输模式的作用范围越大, 则模式传输强度的变化越大. 该研究为实现气体分子指纹的识别和检测奠定了理论基础.
      通信作者: 黄铭, huangming@ynu.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 61161007, 61261002, 61461052, 11564044)、教育部博士点基金(批准号: 20135301110003, 20125301120009)、中国博士后基金(批准号: 2013M531989、2014T70890) 和云南省自然科学基金重点项目(批准号: 2013FA006, 2015FA015)资助的课题.
    [1]

    Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, Jiang D, Zhang Y, Dubonos S V, Grigorieva I V, Firsov A A 2004 Science 306 666

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    Tassin P, Koschny T, Kafesaki M, Soukoulis C M 2012 Nature Photonics 6 259

    [3]

    Balandin A A, Ghosh S, Bao W Z, Calizo I, Teweldebrhan D, Miao F, Lau C N 2004 Nano Letter 8 902

    [4]

    Bonaccorso F, Colombo L, Yu G, Stoller M, Tozzini V, Ferrari A C, Ruoff R S, Pellegrini V 2015 Science 347 1246501

    [5]

    Shen J H, Zhu Y H, Yang X L, Li C Z 2012 Chem. Commun. 48 3686

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    Zhao W, He D W, Wang Y S, Du X, Xin H 2015 Chin. Phys. B 24 047204

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    Schedin F, Geimm A K, Morozov S V, Hill E W, Blake P, Katsnelson M I, Novoselov K S 2007 Nature Materials 6 652

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    Yoon H J, Jun D H, Yang J H, Zhou Z Z, Yang S S, Cheng M M C 2011 Sensors and Actuator B 157 310

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    Kulkarni G S, Reddy K, Zhong Z H, Fan X H 2014 Nature Communication 5 4376

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    Liu J B, Mendis R, Mittleman D M 2012 Physical Review B 86 241405

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    Choi S H, Kim Y L, Byun K M 2011 Optics Express 19 458

    [17]

    Verma R, Gupta B D, Jha R 2011 Sensors and Actuators B: Chemical 160 623

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    Wu J, Zhou C H, Yu J J, Cao H C, Li S B, Jia W 2014 Optics Laser Technology 59 99

    [19]

    Nikitin A Y, Guinea F, Garca-Vidal F J, Martn-Moreno L 2011 Physical Review B 84 161407

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    Francescato Y, Giannini V, Yang J J, Huang M, Maier S A 2014 ACS Photonics 1 437

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出版历程
  • 收稿日期:  2015-03-16
  • 修回日期:  2015-05-16
  • 刊出日期:  2015-10-05

单层石墨烯带传输模式及其对气体分子振动谱的传感特性研究

  • 1. 云南大学无线创新实验室, 信息学院, 昆明 650091;
  • 2. 云南大学化学科学与工程学院, 昆明 650091;
  • 3. 云南省无线电监测中心, 昆明 650228
  • 通信作者: 黄铭, huangming@ynu.edu.cn
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号: 61161007, 61261002, 61461052, 11564044)、教育部博士点基金(批准号: 20135301110003, 20125301120009)、中国博士后基金(批准号: 2013M531989、2014T70890) 和云南省自然科学基金重点项目(批准号: 2013FA006, 2015FA015)资助的课题.

摘要: 自2004年石墨烯被成功制备以来, 相关研究引起了广泛关注, 其中, 传感应用是一个重要方向. 目前, 有关石墨烯传感特性的研究都集中在低频, 即根据分子附着引起的电导率变化来实现检测. 然而, 由于大部分分子吸附都会使电导率发生变化, 因此该方法难以区分不同分子的特征. 论文基于Kubo公式, 结合数值仿真方法研究了单层石墨烯带的传输模式, 分析了有效模式指数与模式传输特性的关联, 证实了波导模的局域性和宽带特性. 同时, 利用一阶波导模与气体作用引起的传输强度的变化反演分子振动谱. 以SO2, CO和C7H8气体的传感为例, 基于本征分析验证了方法的有效性. 结果表明, 传输模式与分子作用能够产生耦合共振增强, 并且其变化趋势与气体分子振动谱一致; 在传输方向上, 分子与传输模式的作用范围越大, 则模式传输强度的变化越大. 该研究为实现气体分子指纹的识别和检测奠定了理论基础.

English Abstract

参考文献 (21)

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