碳纳米管薄膜微纳光纤微环谐振器近场传感理论与实验研究

本项目提出一种基于碳纳米管镀膜微纳光纤的微环谐振腔结构，研究碳纳米管薄膜与微纳光波导线表面倏逝场的增强耦合机理，建立基于碳纳米管薄膜微纳光纤微环形谐振器的近场光传感理论模型，深入分析各结构参数对倏逝场耦合效率以及微环谐振器传感性能的影响；探索和优化基于碳纳米管薄膜微纳光纤微环谐振器的实现方法和制备工艺；结合实验研究该结构在微纳尺度下湿度、微量气体等折射率调制的传感响应特性。.将微纳光纤所构成的高Q值微环谐振腔结构与碳纳米管薄膜相结合，增强微纳光纤表面吸附能力和倏逝场耦合效率，提高微纳光纤环形谐振器的热稳定性和机械稳定性、加快微环谐振器的响应时间，同时抑制其输出谐振光谱的边模噪声，提高微环谐振腔的品质因素，实现对近场区域内各种物理和生化微变量的快速、高精度测量。基于该结构的微纳传感器件可广泛应用于微观尺度下的湿度探测、气液浓度测量，PH值检测、分子鉴别以及荧光检测等领域。

本项目在国家自然基金项目的支持下，提出并研究了一种基于碳纳米管（石墨烯）薄膜与亚波长直径光纤相结合的的微纳光纤传感结构。项目研究了碳纳米管（石墨烯）薄膜材料对微纳光纤表面倏逝场的增强耦合机理，建立了基于敏感纳米薄膜与微纳光纤相结合的光传感理论模型，深入分析了各结构参数对倏逝场耦合调控效率及其传感增敏的作用。在理论研究的基础上，项目还探索了基于微纳光纤的碳纳米管LB镀膜工艺，基于石墨烯薄膜的CVD生长和湿法转移工艺，实现了碳纳米管薄膜和石墨烯薄膜向微纳光纤表面的成功转移，研制出由碳纳米薄膜材料包裹微纳光纤的复合传感结构。项目构建了用于高灵敏气体传感和生物分子传感的实验系统，研究了该复合传感结构对湿度、微量化学气体、生物分子浓度等变化的传感响应特性。. 研究结果表明，利用碳纳米管薄膜和石墨烯薄膜的对生化分子的敏感特性，及其超大的比表面积，结合微纳光纤的强倏逝场传输特性，既实现了对微纳光纤表面的倏逝场的调控和耦合增强，同时又提升了待测分子在微纳光纤表面的吸附和与光场的作用能力，实现了对近场区域内各种生化参量变化的快速、高精度检测，对氨气等极性气体的传感灵敏度达到亚ppm量级。本项目的研究的基于碳纳米薄膜与微纳光纤相结合的光学传感器件还可以通过薄膜材料掺杂改性，有源激发等方式进一步提高传感器的检测灵敏度，实现ppb量级的痕量检测甚至单分子测量，从而应用于微观尺度下的化学气液的痕量测量、生物单分子检测以及其它生物医疗领域。. 本项目已发表学术论文 23 篇，包括 SCI 期刊论文 14 篇，申请发明专利4项，授权发明专利 2 项；指导研究生9 名；参加国际会议 6次，作会议口头报告5次。参与获省部级一等奖 1 项。