基于Fano共振的周期和准周期声子晶体气体传感器
2022-06-15 08:06:19 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
在这项工作中，研究人员提出了一项基于周期和准周期声子晶体结构的研究，该研究涵盖了几种温室气体的传感。这是首次在气体传感器结构的声子晶体带隙中展示了非常尖锐的Fano共振模式。
如今，痕量气体传感，尤其是有毒和温室气体传感，因其在医疗检查、环境监测和生产控制等广泛领域的实际应用而备受关注。对于各类有毒气体，业界已经设计了很多物理和化学传感系统。例如，用于检测二氧化碳（CO₂）的各种传感器，包括声子晶体（Phononic Crystal，PnC）、催化传感、荧光传感和半导体薄膜等。CO₂、N₂O和CH₄等温室气体被视为危害气体，因为它们会吸收从地球表面发射的红外辐射（IR），并将其重新辐射回地球表面，从而使热量滞留在地球大气中。
气体传感采用基于各种工作原理的多种方案，包括催化燃烧、半导体薄膜和光学气体传感器等。由于二元气体混合物的声速取决于其成分，还可以在气体传感中利用声波方案。因此，声子复合结构被引入作为声学气体传感器，它们具有很好的实验前景，有望用于低成本且无前置时间（Lead Time）的气体传感应用。
声子晶体是一种独特的人工结构，由弹性常数及密度周期分布的材料或结构制成，可以控制和修改输入的声波。基于声子晶体的系统被认为是开发声学气体传感器的理想方案。声子晶体的新特性是声子晶体带隙。弹性波在声子晶体中传播时，受其内部结构的作用，在一定频率范围（带隙）内被阻止传播，而在其他频率范围（通带）可以无损耗地传播。
机械滤波器、噪声抑制、传感器、超声成像和声学二极管等，只是声子晶体带隙特性派生的一小部分应用。然而，利用声子晶体结构的优势之一是能够调节参考气体和目标气体的任何外部影响，如压力或温度。同时，与常规声子晶体相比，腔内填充不同气体并嵌入其中的声子晶体结构具有显著优势。
迄今，一维和二维声子晶体中的准周期结构已经在固体-固体和固体-流体结构中实现。在准周期结构中，还可以预期具有强共振峰的带隙，这可以强烈地局域化声波。因此，准周期声子晶体有望克服大型声学结构的低频限制。
人工和自然谐振器充斥着我们的生活，例如从激光到音乐、成像设备等复杂的系统。此外，声子晶体传感器结构中声子晶体带隙内出现的Fano共振模式，由于其线型不对称且尖锐的谐振峰，最近引起了极大关注。Fano共振自五十多年前首次被发现，它是由窄离散态和宽连续态之间的相消干涉引起的。由于其在传感器和光学器件中的广泛应用，近来吸引了很高的关注度。
在声子晶体周期结构中，Fano共振现象得到了研究；它也已被用于声子晶体结构声波导技术。多种声子应用中使用的Fano共振包括声子晶体谐振器、波导和辐射探测器等。同时，基于Fano共振的周期和准周期声子晶体气体传感器结构，其中非常尖锐的谐振传输模式具有新颖的灵敏度、品质因数和优值，这在以前是没有涵盖的。此外，Fano共振现象还没有在所有以前的一维或二维声子晶体气体传感器文献中有介绍。
据麦姆斯咨询报道，塞尔丘克大学（Selçuk University）的研究人员近日在Scientific Reports上发表了一篇研究成果。在这项工作中，研究人员提出了一项基于周期和准周期声子晶体结构的研究，该研究涵盖了几种温室气体的传感，包括CO₂、N₂O和CH₄。其次，这是首次在气体传感器结构的声子晶体带隙中展示了非常尖锐的Fano共振模式。这些周期和准周期声子晶体结构引入的Fano共振模式，对目标温室气体实现了新颖的灵敏度、优值和品质因数。另外，该研究详细介绍了FC(7,1)准周期声子晶体气体传感器对CH₄气体引入的Fano共振模式位置的温度效应。研究人员还研究了温度对FC(7,1)准周期声子晶体气体传感器灵敏度、品质因数和优值的影响。
（a）声波通过声子晶体温室气体传感器结构的相互作用机制，（b）入射声波在两层结构间界面内的衰减。
（a, c, e）分别展示了周期和F(5)、FC(7, 1)准周期声子晶体气体传感器结构，（b, d, F）分别展示了周期和F(5)、FC(7, 1)准周期声子晶体气体传感器结构室温下对N₂O、CH₄和CO₂温室气体的Fano共振发射谱与归一化频率的关系。
通过研究证实，声学特性失配和层序列在控制Fano共振和传输通带方面起着重要作用。与周期和简单的斐波那契（F(5)）声子晶体结构相比，广义斐波那契（FC(7, 1)）准周期结构引入了最佳的气体传感器结构，它对CO₂、N₂O和CH₄气体的灵敏度最高。此外，在所研究的气体传感器结构中首次观察到非常尖锐的Fano共振模式，对于所有温室气体提供了高的Fano共振频率、新的灵敏度、品质因数和优值。
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