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利用可逆化学掺杂调控的石墨烯等离子体实现中红外气体传感
摘要： 纳米结构石墨烯中高度受限的等离子体模式可用于检测微量生物和气体分子。在生物传感领域，通过使用特异性功能层（如抗体），可将目标生物标志物富集到光学场增强的石墨烯附近。受此启发，本文利用沉积在纳米结构石墨烯表面的超薄聚合物层的化学吸附与气体吸附特性，展示了一种新型气体传感方案。我们以对CO?分子具有化学反应性的聚乙烯亚胺（PEI）为模型材料进行概念验证实验：当CO?被吸附时，由于PEI振动模式增强及等离子体共振峰偏移（后者源于聚合物诱导的石墨烯掺杂效应），传感器光学响应发生改变。研究表明该光学响应变化在CO?脱附过程中可逆。实验证明该方案在环境大气中的最低检测限（LOD）为390 ppm（通过真空操作可进一步降低）。通过采用特定吸附聚合物，该传感方案可便捷扩展至其他关键气体（如挥发性有机化合物）的检测。
关键词： 石墨烯传感器、表面增强红外吸收光谱（SEIRA）、气体传感器、石墨烯等离子体激元、化学掺杂
更新于2025-09-23 15:19:57
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无需光谱仪的石墨烯等离子体折射率传感器
摘要： 我们提出了一种基于石墨烯等离子体结构的免光谱仪折射率传感器。该器件通过静电偏置动态调节石墨烯的化学势，从而实现了免光谱仪特性。所提出的传感器在光学工作模式下表现出1566 nm/RIU的灵敏度和250.6 RIU?1的品质因数，在电学工作模式下则具有713.2 meV/RIU的灵敏度和246.8 RIU?1的品质因数。这一性能展现了该免光谱仪传感器的优化运行状态，其简化设计有望推动太赫兹传感技术更接近实际应用，在生物传感和/或气体传感领域具有重要应用前景。
关键词： 无光谱仪传感、石墨烯等离子体激元、光学折射率传感器
更新于2025-09-23 15:19:57
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由石墨烯等离子体激元激发的多极太赫兹吸收光谱学
摘要： 太赫兹吸收光谱作为通过分子转动谱指纹识别分子种类的重要工具，在物理、化学和生物系统中发挥着关键作用。由于分子具有亚纳米级尺寸，辐射-物质耦合通常由偶极相互作用主导。本研究证明，通过太赫兹等离激元对多极跃迁的显著增强效应，可以观测到局域化石墨烯结构附近分子的多极转动光谱。特别地，针对同核双原子分子进行专项计算表明：具有核心纳米孔的微米级石墨烯环能同时实现强近场增强效应与固有的显著场局域化特性，可使H+2分子偶极禁阻太赫兹吸收截面增强8个数量级。这些发现揭示了纳米结构石墨烯作为多极太赫兹吸收光谱纳米级研究平台的巨大潜力——该平台不仅性能稳定，还能通过电学方式进行调控。
关键词： 石墨烯等离子体激元、多极跃迁、纳米尺度、太赫兹吸收光谱学
更新于2025-09-19 17:13:59
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光栅辅助双层石墨烯等离子体系统中可调谐多模耦合的理论分析
摘要： 提出一种双层石墨烯混合系统，用于研究远红外频段的多模耦合现象。在金属光栅的辅助下，可同时激发上下层石墨烯表面等离激元与磁极化激元，实现电磁能量的选择性局域化。通过调节间隔层厚度，可在强耦合与弱耦合状态间实现相互转换，从而产生混合模式和拉比分裂。研究还通过改变石墨烯费米能级实现了多模耦合的动态调控。该混合耦合行为展现出独特的能量传递、多频带光捕获及模式分裂特性，经典耦合振子模型能很好地描述这些现象。本研究可为石墨烯基光-物质相互作用相关研究提供启发，所提出的混合系统为设计可调谐光学开关、热发射器、多频带吸收器、传感器等多种等离激元器件提供了良好范例。
关键词： 石墨烯等离子体激元、能量转移、耦合振子模型、吸收增强、磁极化激元
更新于2025-09-11 14:15:04
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石墨烯手册 || 石墨烯等离子体：开关应用
摘要： 本章重点研究工作于红外至太赫兹频段、基于石墨烯等离子体的光学开关器件。近年来，由于具有强光-物质相互作用和纳米级尺寸特性，石墨烯等离子体备受关注——它们通过提供电磁场调控方案，在光学科学与工程多个领域发挥着重要作用。另一个近年备受瞩目的研究方向是石墨烯等离子体超表面，这种由石墨烯层堆叠构成的材料展现出卓越的电学与光学特性，引发了包括我们团队在内的全球众多研究小组的兴趣。但我们特别关注的是多层结构（如奥托构型）中电磁波与石墨烯表面模的相互作用及其潜在开关应用。本章基于理论模型与数值模拟证明：通过设计调控石墨烯的光电特性（如化学势、温度、散射率）及入射光束参数（如光束宽度），基于石墨烯的结构不仅能作为优良的红外光学开关平台，亦可应用于太赫兹波段开关器件。
关键词： 奥托构型、石墨烯等离子体激元、石墨烯电导率、光开关、太赫兹、超表面
更新于2025-09-11 14:15:04