基本信息
- 项目名称：
- 基于完美吸收超材料的光学折射率传感器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目基于超材料在其谐振频率附近实现完美吸收，反射出不完整光谱的思想，提出设计新型光学折射率传感器模型，制作了光学折射率传感器，实现可见光波段超材料光学传感；突破了文献中完美吸收器只能在红外波段响应的瓶颈。该传感器能够实现对不同折射率透明溶液的裸眼分辨，特点是响应快，灵敏度高，操作简单易行，可重复使用。在生物和医学检测技术小型化、家庭化和低成本方面开辟了新的途径。
- 详细介绍：
- 本项目为基于完美吸收超材料的光学折射率传感器，与目前热点的光子晶体折射率传感器相比，不仅能保证相当高的检测精度，同时操作简单，响应快，可以重复使用，成本大大降低。 本作品基于超材料在其谐振频率附近实现完美吸收，反射出不完整光谱的思想，提出设计新型光学折射率传感器模型；采用由下向上方法，在制备周期性银网格的超材料基础上制备了光学超材料完美吸收器，制作成超材料光学折射率传感器。通过减小银网格周期至200nm可实现可见光波段的超材料光学传感，突破了文献中完美吸收器只能在红外波段响应的瓶颈。传感器对入射的白光选择性吸收，反射出不完全光谱；以此传感器作为光源，在传感器表面滴加不同折射率的溶液，可以观察到，液滴里反射出的条纹颜色、粗细不同，实现不同折射率溶液的裸眼分辨；在生物和医学检测技术小型化、家庭化和低成本方面开辟了新的途径。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计发明的目的和基本思路: 基于超材料完美吸收原理，制备了基于完美吸收超材料的光学折射率传感器。其目的是制备出可见光波段的光学折射率传感器，实现对不同折射率透明液体的裸眼分辨。基本思路是传感器对入射白光选择性吸收，反射出不完全光谱；以此传感器作为光源，在上面滴加不同折射率的透明液滴，根据液滴反射出的条纹颜色、粗细不同，实现对不同折射率液滴的裸眼分辨。 创新点: （1）基于超材料在其谐振频率附近实现完美吸收，反射出不完整光谱的思想，提出设计新型光学折射率传感器模型；采用由下向上方法制备出光学超材料完美吸收器，制作成超材料光学折射率传感器。 （2）我们制备的基于完美吸收超材料的光学折射率传感器宏观为厘米量级，可以直接用裸眼进行观察分辨，操作更简单，对操作人员要求更低；可以重复利用，并且响应快，灵敏度高。 （3）与光子晶体折射率传感器相比，该传感器是在其表面滴加液滴，不会破坏内部结构。 技术关键和主要技术指标: （1）制备二维胶体晶体，要求粒径均一，排列紧密，周期性良好； （2）制备金属银网格和银膜，要求网孔大小一致，银网格连接致密，样品表面无划痕；银镜致密光亮； （3）光学折射率传感器由于上下两片玻璃之间反射产生干涉，我们可以在空气表面看到明显的干涉条纹。随所滴加溶液折射率增大，超材料吸波器的吸收波长发生红移，反射出的条纹颜色和粗细随之变化，可以用来实现光学折射率传感器的裸眼检测。
科学性、先进性
- (1)基于超材料在其谐振频率附近实现完美吸收，反射出不完整光谱的思想，提出设计新型光学折射率传感器模型；采用由下向上方法制备出光学超材料完美吸收器，制作成超材料光学折射率传感器。 (2)通过调节银网格网孔周期可以对响应频段进行改变，由网孔周期200nm实现了可见光频段折射率传感器，突破了文献中完美吸收器只能在红外波段响应的瓶颈。 (3)采用在传感器表面滴加不同折射率的溶液，可以观察到反射条纹结果不同，实现不同折射率溶液的裸眼分辨，在生物和医学检测技术小型化、家庭化和低成本方面开辟了新的途径。 (4)与目前热点的光子晶体折射率传感器相比，这种完美吸收器光学折射率传感器不仅能保证相当高的检测精度，同时将不同折射率的待检液滴加在传感器表面检测，操作简单，响应快，传感器可以重复使用，成本大大降低。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品；现场演示；样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 将不同折射率的透明溶液用滴管滴加在传感器表面，观察液滴内部反射出的条纹颜色和粗细的变化；折射率越高的液滴中反射出的黄色条纹越明显，红色条纹越暗淡。以此完成对溶液折射率的裸眼判断。 技术特点和优势: （1）样品制备周期短，工艺简单，成本低； （2）光学折射率传感器对溶液浓度响应快，灵敏度高，可重复使用，对操作人员要求低； （3）可以通过改变金属银网格纳米尺寸实现对不同光频段的响应。 适用范围: (1)新型光折射传感器研究 (2)生物和医学检测技术
同类课题研究水平概述
- 超材料作为一种材料设计理念，已开始为越来越多的学者所关注。2008 年，Landy 等人提出了一种具有完全吸收特性的超材料吸收器，通过设计阻抗匹配，同时尽可能大的设计超材料的折射率的虚部，使得电磁波的能量都在材料中被吸收。微波实验证实了11.48GHz处同时具有非常小的反射和透射，实现96%的吸收率。作为对超材料吸收特性的应用，2009 年Zhu等人的课题组研究了基于树枝状微观结构的红外波段超材料吸收器； Zhao等人研究了可见光波段左手材料中的彩虹效应。 光学传感器的一个最重要的应用是化学和生物传感，其主要研究目标是实现裸眼检测。Takeoka用模板法制备了光子晶体传感器，实现了对葡萄糖溶液浓度的监测。但是，光子晶体传感器都是通过改变光子晶体的内部结构来实现传感应用，因此可再用性差、敏感度低。 我们基于完美吸收超材料的设计思想，利用自下而上的化学方法，制备出可见光波段的光学折射率传感器，用于实现光学折射率的分辨。实验发现该光学折射率传感器对水和葡萄糖溶液浓度响应快、灵敏度高，实现了裸眼检测，并且检测过程中不破坏传感器内部结构，可以多次重复使用。
