中紅外硅光子學(xué)因其在開發(fā)芯片集成分子傳感器方面的巨大潛力而備受關(guān)注。微環(huán)諧振器(MRRs)具有高質(zhì)量的因數(shù)、優(yōu)異的制造重現(xiàn)性和緊湊的器件尺寸等優(yōu)點(diǎn)，是一種有潛力的硅光子傳感器件。然而，昂貴和笨重的中紅外設(shè)備，即可調(diào)諧激光器或光譜儀，可能會(huì)限制基于MRR的傳感設(shè)備的應(yīng)用。在這里，我們從理論上研究了一種基于MRR的二氧化氮?dú)怏w傳感器，用單色中紅外激光探測(cè)，以克服這一限制。此外，石墨烯被用作敏化介質(zhì)，通過改變氣體分子吸附后硅波導(dǎo)中傳播光的相位。具體來說，我們的傳感器在理論上實(shí)現(xiàn)了1.259 × 10
-5 RIU/ppm的靈敏度，5.1 ppm的檢測(cè)限和5135 ppm的檢測(cè)范圍。我們的研究有望為開發(fā)芯片集成、低成本、高靈敏度的光學(xué)氣體傳感器打開一扇門。
圖1. 提出的石墨烯敏化MRR氣體傳感器示意圖。(a)氣體傳感器三維示意圖。(b)石墨烯覆蓋的SOS MRR的波導(dǎo)截面。電極可以用來改變硅波導(dǎo)中自由載流子的濃度，也可以用來調(diào)節(jié)外電場(chǎng)下石墨烯的費(fèi)米能級(jí)。(c)石墨烯敏化MRR氣體傳感器俯視圖。(d)共振波長(zhǎng)處MRR的電場(chǎng)分布。
圖2. SOS波導(dǎo)中紅外透明窗口內(nèi)的有效RI (a)和光吸收系數(shù)(b)隨波長(zhǎng)和注入自由載流子濃度的變化。
圖3. 計(jì)算了石墨烯費(fèi)米能級(jí)的變化和石墨烯覆蓋SOS波導(dǎo)的RI。(a)石墨烯費(fèi)米能級(jí)隨NO
2氣體濃度的變化。(b)石墨烯覆蓋SOS波導(dǎo)的有效RI與石墨烯費(fèi)米能級(jí)變化的關(guān)系。
圖4. 不同自由載流子濃度(a)-(g)，石墨烯覆蓋的MRR在波長(zhǎng)域的歸一化透射率，以及在4.48306 μm (h)波長(zhǎng)處的MRR透射率采樣。
圖5. 不同氣體濃度下，石墨烯覆蓋MRR的歸一化透射率隨注入自由載流子濃度的變化。
圖6. LOD和測(cè)量范圍與Al
2O
3厚度的關(guān)系。
相關(guān)研究成果由天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院、光電信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Qi He等人于2023年發(fā)表在Optics Communications (https://doi.org/10.1016/j.optcom.2023.129447)上。原文：Graphene-sensitized microring gas sensor probing with a single-wavelength laser。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
