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论文从满足新型气体传感器在环境监控、食品安全等方面的社会需求出发,提出了基于金属纳米结构的有机气体传感方法,并对新型LSPR气体传感器的相关理论和实验方法进行了研究。
论文的内容主要包含两大部分:(1)金属纳米结构光学及传感性能的理论研究。(2)基于三角形金属纳米结构的LSPR气体传感器的理论模型的建立、实验系统的搭建以及对几种有机气体的传感实验。
论文的前半部分,首先分析了LSPR传感原理,总结出了LSPR传感与传统SPR传感的相同点和不同点,建立了LSPR气体传感器的理论模型,并应用到了实验中；其次分析了决定金属纳米结构传感性能的各种要素,建立了任意形状金属纳米结构消光光谱峰值波长与形状参数的关系,讨论了形状对其光学性能的影响；同时,利用时域有限差分法系统研究了金属纳米结构的尖角效应探讨了尖角的角度和个数分别对LSPR传感性能的影响,得到了尖角个数较少,每个角度数为30°的三角星形结构具有较好的传感性能,品质因数达到9.5。
针对实验所用的金属纳米结构,建立了LSPR有机气体传感的两层膜理论和三层膜理论。当针对性的想要获得某一种气体的浓度信息时,论文利用三角形银纳米结构同时作为信号转换器和气敏材料,完成了对乙醇等五种气体的探测。分别搭建了动态配气和静态配气的实验平台,并设计和制作了对应的气室,实现了利用三角形银纳米结构对挥发性有机气体的高灵敏度传感。实验表明,银纳米结构对醇类气体具有较好的选择性,对乙醇的传感灵敏度达到0.1nm/ppm。
当在混合气体中识别某一种气体时,便需要利用三层膜结构,即需要添加气敏膜。本文中,我们利用PMMA膜作为三氯甲烷气体的气敏膜,研究了PMMA膜的膜层的表面形貌以及厚度对三角形银纳米结构传感性能的影响。利用峰值波长处的消光效率作为观察参数,实现了对三氯甲烷的高灵敏度、高选择性传感,探测极限达到21 ppm。
论文的研究结果表明,基于金属纳米结构LSPR特性的气体传感方法具有可行性和实用性,所制作的气体传感器具有较高的传感灵敏度,和较强的可重复性,它的发展和完善将为食品安全、环境监控、工业生产以及国防安全等方面提供强有力的技术支持。