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- 用于實時監(jiān)測的快速響應(yīng)比色傳感器擴展了色域
- 來源：釜山國立大學(xué) 傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2024/10/23
比色傳感器通過直觀地改變顏色來檢測環(huán)境變化，肉眼很容易看到，無需額外的設(shè)備。此外，它們以零功耗運行。這些傳感器無需任何額外設(shè)備即可明顯地改變顏色，有可能在食品包裝和古代文物保存等應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用，在這些應(yīng)用中，最佳濕度對于質(zhì)量控制至關(guān)重要。
為了準(zhǔn)確檢測濕度，比色傳感器必須覆蓋廣泛的顏色范圍，證明顏色和濕度之間的線性相關(guān)性，快速響應(yīng)并保持長期穩(wěn)定性。通過結(jié)構(gòu)變化實現(xiàn)著色的傳感器通常比基于化學(xué)反應(yīng)的傳感器更有利。
其中，利用法布里-佩羅共振的金屬-水凝膠-金屬 （MHM） 結(jié)構(gòu)因其簡單性和多樣化的顏色產(chǎn)生而脫穎而出，因為水凝膠腔厚度的變化，通常使用殼聚糖等溶脹材料，導(dǎo)致不同的顏色。但是，傳統(tǒng)設(shè)計仍然存在顏色表示受限和響應(yīng)速度慢的問題。
為了解決這些問題，由釜山國立大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 Gil Ju Lee 副教授領(lǐng)導(dǎo)的韓國研究團隊開發(fā)了一種創(chuàng)新的二維 （2D） 納米結(jié)構(gòu) Fano 諧振比色傳感器 （nFRCS）。
Lee 博士解釋說：“我們的設(shè)計引入了利用 Fano 共振和等離子體共振的納米孔陣列，通過控制從減色到加法著色的反射光譜來顯著增強色域。此外，這些納米空穴通道還增強了響應(yīng)能力。研究結(jié)果發(fā)表在《光學(xué)》雜志上。
nFRCS 由銀-殼聚糖-銀的 MHM 結(jié)構(gòu)組成，上層薄，底層厚。MHM 還具有薄的多孔鍺 （Pr-Ge） 涂層。這種涂層是將 MHM 從 Fabry-Perot 諧振器轉(zhuǎn)變?yōu)?Fano 諧振器的關(guān)鍵補充，從而顯著改善了色彩表現(xiàn)。
此外，nFRCS 將 2D 納米空穴陣列 （NHA） 整合到 MHM 層中，為周圍環(huán)境中的水蒸氣建立了一條直接到達(dá)殼聚糖層并與殼聚糖層相互作用的路線。由于殼聚糖的親水性，在高度潮濕的條件下，殼聚糖吸收水分子，使其膨脹，而在干燥條件下，殼聚糖釋放水分子，使其體積縮小，導(dǎo)致與濕度水平相關(guān)的顏色變化。
這些 NHA 還提高了傳感器的響應(yīng)能力，其有序模式促進(jìn)了額外的光-物質(zhì)相互作用，例如表面等離子體共振 （SPP） 和局部表面等離子體共振 （LSPR），從而進(jìn)一步提高性能。
研究人員使用卷對板納米壓印光刻 （NIL） 制造了 nFRCS 傳感器，該光刻技術(shù)使用類似沖壓的方法將納米級圖案轉(zhuǎn)移到 MHM 層上。與傳統(tǒng)昂貴的納米結(jié)構(gòu)制造技術(shù)相比，這種方法既節(jié)省了時間又節(jié)省了成本。
在實驗中，制造的 nFRCS 顯示出寬色域，超過了標(biāo)準(zhǔn) RGB （sRGB），顯示出 141% 的 sRGB 覆蓋率和 105% 的 Adobe RGB 覆蓋率，優(yōu)于以前的研究。此外，它表現(xiàn)出出色的響應(yīng)能力，響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別為 287 毫秒和 87 毫秒。
Lee 博士強調(diào)了傳感器的更廣泛應(yīng)用，他說：“除了濕度傳感之外，nFRCS 還可以用作健康監(jiān)測設(shè)備、智能顯示器和室內(nèi)材料，通過產(chǎn)生不同的色偏來對外部刺激做出反應(yīng)。這種設(shè)計可以作為其他類型的比色傳感器的框架，這些傳感器可以檢測濕度以外的不同環(huán)境變化。
總體而言，這款創(chuàng)新傳感器標(biāo)志著零功率實時環(huán)境監(jiān)測的重大飛躍。
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