DOI: 10.17586/1023-5086-2018-86-04-53-58

Датчик концентрации этанола на основе поверхностного плазмонного резонанса, усиленного использованием композитных плёнок TiO2-ZnO c гибридными нанолистами MоS2-графена

Wu Xiaogang, Li Zhiquan, Tong Kai, Jia Xiaopeng, Li Wenchao

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

X. Wu, Zh. Li, K. Tong, X. Jia, W. Li Ethanol concentration sensor based on TiO2-ZnO composite film enhanced surface plasmon resonance with molybdenum disulfide — graphene oxide hybrid nano-sheet (Датчик концентрации этанола на основе поверхностного плазмонного резонанса, усиленного использованием композитных плёнок TiO2-ZnO c гибридными нанолистами MоS2-графена) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2019. Т. 86. № 4. С. 53–58. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-04-53-58

X. Wu, Zh. Li, K. Tong, X. Jia, W. Li Ethanol concentration sensor based on TiO2-ZnO composite film enhanced surface plasmon resonance with molybdenum disulfide — graphene oxide hybrid nano-sheet (Датчик концентрации этанола на основе поверхностного плазмонного резонанса, усиленного использованием композитных плёнок TiO2-ZnO c гибридными нанолистами MоS2-графена) [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2019. V. 86. № 4. P. 53–58. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-04-53-58

Ссылка на англоязычную версию:

Xiaogang Wu, Zhiquan Li, Kai Tong, Xiaopeng Jia, and Wenchao Li, "Ethanol concentration sensor based on TiO₂-ZnO composite film enhanced surface plasmon resonance with a molybdenum disulfide-graphene oxide hybrid nano-sheet," Journal of Optical Technology. 86(4), 238-242 (2019). https://doi.org/10.1364/JOT.86.000238

Аннотация:

Предложен способ определения концентрации этанола с использованием поверхностного плазмонного резонанса (ППР). Разработана новая конструкция призменного датчика концентрации этанола, использующая уникальные свойства смачивания поверхности оксида графена в водном растворе этанола. В качестве усилителя поверхностного плазмонного резонанса выбрана композитная плёнка TiO₂ZnO c гибридными нанолистами MoS₂графена. Методом конечных элементов проанализировано влияние и проведена оптимизация толщины слоёв композитной структуры, показавшая возможности существенного увеличения чувствительности датчика. Определены оптимальные толщины каждого из слоёв, позволившие достичь чувствительности датчика в 0,089°/% конц., в пределах измеряемой концентрации этанола от нуля до 80 концентрационных процентов. Определена зависимость между углом поверхностного плазмонного резонанса и величиной концентрации этанола.

Ключевые слова:

поверхностный плазмонный резонанс, чувствительность, оксид графена, TiO2-ZnO, концентрация этанола, метод конечных элементов

Коды OCIS: 130.6010, 230.0230, 240.6680, 260.0260

Список источников:

1. Betz J.M., Nikelly J.G. Determination of ethanol in alcoholic beverages by liquid chromatography using the UV detector // J. Chromatogr. Sci. 1987. V. 25(9). P. 391–394.
2. Kurauchi Y., Yanai T., Egashira N., et al. Fiber-optic sensor with a chitosan/poly(vinyl alcohol) cladding for the determination of ethanol in alcoholic beverages // Analytical Sciences. 1994. V. 10(1). P. 213–217.

3. Edy Wijaya, Cédric Lenaerts, Sophie Maricot, Juriy Hastanin, Serge Habraken, Jean-Pierre Vilcot, Rabah Boukherroub, Sabine Szunerits. Surface plasmon resonance-based biosensors: From the development of different SPR structures to novel surface functionalization strategies // Current Opinion in Solid State and Materials Science. 2011. V. 15. P. 208–224.
4. Abdennour Abbas, Matthew J. Linman, Quan Cheng. Sensitivity comparison of surface plasmon resonance and plasmonwaveguide resonance biosensors // Sensors and Actuators B. 2011. V. 156. P. 169–175.
5. Homola J., Yee S.S., Gauglitz G. Surface plasmon resonance sensors: review // Sens. Actuator B. 1999. V. 54. P. 3–15.
6. Nair R.R., Wu H., Jayaram P.N., Grigorieva I.V., Geim K. Unimpeded permeation of water through helium-leak-tight graphene-based membranes // Science. 2012. V. 335 (6067). P. 442–444.
7. Joshi R.K., Carbone P., Wang F.C., Kravets V.G., Su Y., Grigorieva I.V., Wu H., Geim K., Nair R.R. Precise and ultrafast molecular sieving through graphene oxide membranes // Science. 2014. V. 343. P. 752–754.
8. Michela Cittadini, Marco Bersani, Francesco Perrozzi, Luca Ottaviano, Wojtek Wlodarski, Alessandro Martucci. Graphene oxide coupled with gold nanoparticles for localized surface plasmon resonance based gas Sensor // CARBON. 2014. V. 69. P. 452–459.
9. Zhang H., Sun Y., Gao S., Zhang J., Zhang H., Song D. Novel graphene oxide based surface plasmon resonance biosensor for immunoassay // Small. 2013. V. 9. P. 2537–2540.
10. Arasu P.T., Noor A.S.M., Shabaneh A.A., Yaacob M.H., Lim H.N., Mahdi M.A. Fiber Bragg grating assisted surface plasmon resonance sensor with graphene oxide sensing layer // Optics Communications. 2016. V. 380. P. 260–266.
11. Kim J.A., Hwang T., Dugasani S.R., Amin R., Kulkarni R., Park S.H., Kim T., Graphene based fiber optic surface Plasmon resonance for bio-chemical sensor applications // Sens. Actuators B: Chem. 2013. V. 187. P. 426–433.
12. Mak K.F., Changgu Lee, James Hone, Jie Shan, Tony F. H. Atomically thin MoS2: a new direct-gap semiconductor // Physical Review Letters. 2010. V. 105. P. 136805.
13. Qingling Ouyang, Shuwen Zeng, Xuan-Quyen Dinh, Philippe Coquet, Ken-Tye Yong. Sensitivity enhancement of MoS2 nanosheet based surface plasmon resonance // Biosensor. Procedia Engineering. 2016. V. 140. P. 134–139.
14. Roy K., Padmanabhan M., Goswami S., Sai T.P., Ramalingam G., Raghavan S., Ghosh A. Graphene-MoS2 hybrid structures for multifunctional photoresponsive memory devices // Nat. Nanotechnol. 2013. V. 8. P. 826–830.
15. Cheng X.L., Zhao H., Huo L.H., Gao S., Zhao J.G. ZnO nanoparticulate thin film: preparation, characterization and gassensing property // Sens. Actuator B. 2004. V. 102. P. 248–252.
16. Mahanti M., Basak D. Highly enhanced UV emission due to surface plasmon resonance in Ag-ZnO nanorods // Chem. Phys. Lett. 2012. V. 542. P. 110–116.
17. Sarika Shukla, Navneet K. Sharm, Vivek Sajal. Sensitivity enhancement of a surface plasmon resonance based fiber optic sensor using ZnO thin film: a theoretical study // Sensors and Actuators B. 2015. V. 206. P. 463–470.
18. Rizwan Khan, Periyayya Uthirakumar, Kang-Bin Bae, See-Jong Leem, In-Hwan Lee. Localized surface plasmon enhanced photo luminescence of ZnO nanosheets by Au nanoparticles // Materials Letters. 2016. V. 163. P. 8–11.
19. Ma Y., Du G.T., Yang S.R., Li Z.T., Zhao B.J., Yang X.T., Yang T.P., Zhang Y.T., Liu D.L. Control of conductivity type in undoped ZnO thin films grown bymetalorganic vapour phase epitaxy // J. Appl. Phys. 2004. V. 95. P. 6268–6272.
20. Park J.H., Kim S., Bard A.J. Novel carbon-doped TiO2 nanotube arrays with high aspect ratios for efficient solar water splitting // Nano Lett. 2006. V. 6 (1). P. 24–28.
21. Manera M.G., Leo G., Curri M.L., Comparelli R., Rella R., Agostiano A., Vasanelli L. Determination of optical parameters of colloidal TiO2 nanocrystals-based thin fi lms by using surface plasmon resonance measurements for sensing applications // Sens. Actuator B. 2006. V. 115. P. 365–373.
22. Bao-Hsien Wu, Wei-Ting Liu, Tzu-Yu Chen, Tsong-Pyng Perng, Jer-Hsing Huang, Lih-Juann Chen. Plasmon-enhanced photocatalytic hydrogen production on Au/TiO2 hybrid nanocrystal arrays // Nano Energy. 2016. V. 27. P. 412–419.
23. Manera M.G., Cozzoli P.D., Curri M.L., Leo G., Rella R., Agostiano A., Vasanelli L. TiO2 nanocrystal films for sensing applications based on surface plasmon resonance // Synthetic Met. 2005. V. 148. P. 25–29.
24. Lin C.W., Chen K.P., Hsiao C.N., Lin S., Lee C.K. Design and fabrication of an alternating dielectric multi-layer device for surface plasmon resonance sensor // Sens. Actuators B. 2016. V. 113. P. 169–176.
25. Hsu L.S., Yeh C.S., Kuo C.C., Huang B.R., Dhar S. Optical and transport properties of undoped and Al-, Ga- and In-doped ZnO thin films // J. Optoelectron. Adv. Mater. 2005. V. 7. P. 3039–3046.
26. Gupta B.D., Sharma A.K. Sensitivity evaluation of a multi-layered surface plasmon resonance-based fiber optic sensor: a theoretical study // Sens. Actuators B-Chem. 2005. V. 107. P. 40–46.
27. Castellanos-Gomez A., Agrait N., Rubio-Bollinger G. Optical identification of atomically thin dichalcogenide crystals // Appl. Phys. Lett. 2010. V. 96. P. 213116.
28. Bahar Meshginqalam, Mohammad Taghi Ahmadi, Razali Ismail, Arash Sabatyan. Graphene/Graphene oxide-based ultrasensitive surface plasmon resonance biosensor // Plasmonics. 2017. V. 12. P. 1991–1997.
29. Alka Verma, Arun Prakash, Rajeev Tripathi. Sensitivity enhancement of surface plasmon resonance biosensor using graphene and air gap // Optics Communications. 2015. V. 357. P. 106–112.
30. Maurya J.B., Prajapati Y.K., Singh V., Saini J.P. Sensitivity enhancement of surface plasmon resonance sensor based on graphene-MoS2 hybrid structure with TiO2-SiO2 composite layer // Appl. Phys. A. 2015. V. 121. P. 525–533.