基于二维薄膜的超灵敏声压传感器

压力传感器在工业、军事、医疗等领域发挥着非常重要的作用。在众多不同种类的压力传感器中,法布里-珀罗(F-P)微型光纤传感器以其结构简单、灵敏度高、可实现分布式测量及远程探测等优势,在声压探测方面具有广阔的应用前景。更重要的是,由于F-P微型光纤传感器利用光信号进行压力探测,敏感单元无需电子电路,因而不受电磁信号干扰的影响,适合于在复杂电磁环境和恶劣工作条件下使用,极大克服了电学传感器的不足,受到了国内外的广泛关注。

为构建F-P微型光纤传感器,通常需要将一片较薄的敏感薄膜材料贴附于具有微小内腔(直径约125微米)的陶瓷插芯一端,另一端连接光纤。该薄膜材料接收到压力信号时将会发生形变,改变F-P腔的长度,从而导致输出的光学干涉信号发生变化,通过解析输出的光纤干涉信号,可解算施加的压力值。因此,为了提高F-P传感器的灵敏度,需要采用厚度较薄且具有较高的强度、韧性和弹性的薄膜材料,其应能承受较大的变形并且有较低的疲劳或者迟豫。然而,由于加工精度的限制,基于传统机械减薄工艺得到的薄膜(如二氧化硅薄膜,金属薄膜、高分子薄膜等)难以满足上述要求,这也为高灵敏度F-P传感器的开发带来了巨大的挑战。

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 (a)基于二维MoS2薄膜的F-P传感器工作原理图和 (b) 实物照片

近年来,以二硫化钼(MoS2)为代表的一系列二维层状纳米结构的出现为发展高性能F-P传感器提供了新的可能。 清华大学吕瑞涛课题组、北京航空航天大学李成课题组和美国宾夕法尼亚州立大学Mauricio Terrones课题组对此开展了合作研究,成功开发了基于少层MoS2薄膜的超灵敏F-P微型光纤传感器。他们首先使用电子束蒸镀的方法,在二氧化硅/硅基底上蒸镀了一定厚度的钼薄膜,随后在常压进行硫化,得到了少层MoS2薄膜。最后将制得的薄膜转移到陶瓷插芯上,组装得到了基于不同层数MoS2的F-P传感器。实验研究表明,基于少层MoS2组装得到的F-P传感器具有明显的应力-应变响应以及非常高的探测灵敏度(89.3 nm/Pa),与目前已报道的传统材料(二氧化硅、银薄膜等)相比提高了近三个数量级。该器件优异的压力探测性能可归因于少层MoS2机械强度较高、超薄、柔性和力学稳定性较好的特点。这项研究对于开发超灵敏声压探测器提供了重要的启示,同时也拓展了二维材料在环境和生物医学等领域的应用。相关研究结果近期发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201603266)上。