一种基于碳纳米管薄膜的柔性太赫兹超材料传感器

技术领域

本发明属于超材料技术领域，具体涉及一种基于碳纳米管薄膜的柔性太赫兹超材料传感器。

背景技术

太赫兹波波长介于微波与红外之间，频率范围在0.1THz到10THz之间，由于太赫兹波光子能量低、携带信息丰富等优点，在成像、探测、定性鉴别等领域展示出广泛的应用前景。

超材料这种人工周期性结构为实现电磁波调控提供了一种全新的方法，与传统材料不同，超材料具有负介电常数、负磁导率、负折射率等常规材料不具备的神奇特性。而且自然界中很少有在太赫兹波段产生良好电磁响应的材料，超材料可以依托人为设计，实现特定频率响应的特性在太赫兹领域展示出了前所未有的前景，获得了人们的广泛关注。

碳纳米管作为一种一维纳米材料，重量较轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、化学和电学性能，碳纳米管薄膜因其超宽的吸收光谱、高电荷载流子迁移率、良好的加工性能和高机械弹性而显示出良好的用于光电传感器的前景。一般的传感器重量大，制作难度大，特异性检测较差，这在一定程度上限制了传感器的发展，而碳纳米管的特异性，碳纳米管薄膜的易得性，在传感领域无疑显示出了巨大的应用前景，为更加方便地、灵敏地实现微量液体的检测，抗原多肽等生物生化大分子的特异性检测提供了新方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于碳纳米管薄膜的柔性太赫兹超材料传感器，可以更好地实现微量液体的检测，同时具有柔性的特点。

本发明所采用的技术方案是，一种基于碳纳米管薄膜的柔性太赫兹超材料传感器，包括若干个结构相同的正方形的传感器结构单元规则排列而成，形成周期性阵列结构。

本发明的特点还在于，

传感器结构单元的边长为140-150μm。

传感器结构单元具体结构为：包括正方形的底部柔性衬底，底部柔性衬底中心位置处设置有圆形的碳纳米管薄膜图层，底部柔性衬底上还设置有环形的金属图样，金属图样在碳纳米管薄膜图层外围设置，且金属图样与碳纳米管薄膜图层共圆心。

碳纳米管薄膜图层厚度为0.5-2μm，半径为30-50μm。

金属图样厚度为0.1-0.2μm，内径为50-60μm，环宽度为0.5-1um。

底部柔性衬底为聚酰亚胺，底部柔性衬底厚度为4-5μm，底部柔性衬底边长为140-150μm，即为所述传感器结构单元边长。

金属图样的材料为金、银、铜其中一种。

本发明的有益效果是，一种基于碳纳米管薄膜的柔性太赫兹超材料传感器，具有单层金属图样和单层碳纳米薄膜，结构简单、方便加工；透射频点多，透射率较高，最高峰有将近90％的透射率；采用对称结构，降低了透射频点偏移；整体器件具有质量轻，便携性，柔性的特点；与大部分传感器件相比，本发明提出的传感器依靠碳纳米管薄膜的独特的特异型性，为多肽提供特异性检测方案，同时实现了更加方便的、灵敏的微量液体的检测。本发明专利与碳纳米管薄膜结合，由于碳纳米管具有特异性，碳纳米管可以和抗原多肽特异性结合，碳纳米管薄膜和金属结合具有共振增强，在太赫兹波段有多个透射频点的特点，衬底的聚酰亚胺使器件具有柔性的特点，可以更加方便、灵敏地实现微量液体和多肽、牛血清白蛋白的特异性检测。

附图说明

图1是本发明一种基于碳纳米管薄膜的柔性太赫兹超材料传感器单元结构的三维视图；

图2是本发明单元结构的俯视图；

图3是本发明单元结构的截面图；

图4是本发明在太赫兹波段的透射谱线图。

图中，1.底部柔性衬底，2.金属图样，3.碳纳米管薄膜层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于碳纳米管薄膜的柔性太赫兹超材料传感器，结构图如图1～2所示，包括若干个结构相同的正方形的传感器结构单元规则排列而成，形成周期性阵列结构。传感器结构单元的边长为140-150μm。传感器结构单元具体结构为：包括正方形的底部柔性衬底1，底部柔性衬底1中心位置处设置有圆形的碳纳米管薄膜图层3，底部柔性衬底1上还设置有环形的金属图样2，金属图样2在碳纳米管薄膜图层3外围设置，且金属图样2与碳纳米管薄膜图层3共圆心。

碳纳米管薄膜图层3厚度为0.5-2μm，半径为30-50μm。

金属图样2厚度为0.1-0.2μm，内径为50-60μm，环宽度为0.5-1um。

底部柔性衬底1为聚酰亚胺，底部柔性衬底1厚度为4-5μm，底部柔性衬底1边长为140-150μm，即为所述传感器结构单元边长。

金属图样2的材料为金、银、铜其中一种。

本发明上层的碳纳米管薄膜层3、金属图样2和底部柔性衬底1三者紧密贴合，包括若干个结构相同的正方形的传感器结构单元规则排列而成，形成周期性阵列结构，阵列按正方形晶格排列，图2所示，l为单元结构边长，ri为碳纳米管薄膜层3的半径，ro为金属图样2的内环半径，w为圆环宽度；图3所示，h为底部柔性衬底1的厚度，t为金属图样2的厚度，tf为碳纳米管薄膜层3的厚度。本发明中底部柔性衬底具有柔性特征；碳纳米管薄膜层3所结合的为抗原多肽适配体；柔性太赫兹超材料传感器所结合的为微量液体。在太赫兹波激励下，碳纳米管薄膜层3和金属图样2产生共振，在0-3THz的频段内产生了四个透射峰，图4是本发明在太赫兹波段下的透射谱线，实现了在0-3THz内的透射传感。被测液体滴到器件表面，被测液体与碳纳米管发生特异性结合，在太赫兹波段下，透射峰发生明显的变化，更加灵敏的检测被测液体；抗原多肽等其他生物大分子，在器件表面和碳纳米管发生特异性结合，不同的生物分子和化学分子，与碳纳米管特异性结合后，在太赫兹波激励下，碳纳米管薄膜层3与金属图样2的共振发生改变，在原器件的透射峰基础上发生不同情况的明显变化，实现了对生物生化大分子的特异性检测。由此可见，本发明具有柔性的特点，更加方便、灵敏地实现了对微量液体的检测，进一步实现了在生物生化领域的特异性检测。