Design of terahertz metasurface methane sensor based on bound states in the continuum
-
摘要:
相较于传统矿用甲烷传感器，超表面甲烷传感器在灵敏度、稳定性等方面具有较显著的优势，能够更好地满足矿井生产实际需要。针对现有金属太赫兹超表面传感器对折射率的灵敏度相对较低的问题，设计了一种基于连续域束缚态的太赫兹超表面甲烷传感器。超表面结构为金属−介质−金属3层结构，其中金属材料为金，介质材料为聚酰亚胺，上层金属结构为圆环，通过调节左侧开口大小改变结构的对称性，从而引起准连续域束缚态（QBIC）。分析结果表明，左侧开口间距为5 μm时调制深度最大，为95.69%。在超表面结构上覆盖1层甲烷气敏膜材料（cryptophane-A），得到甲烷传感器。选取5种体积分数的甲烷和5种环境折射率验证甲烷传感器检测性能，结果表明：金属太赫兹超表面传感器对折射率和甲烷体积分数的灵敏度分别为949 GHz/RIU和4.4 GHz/%，且折射率和甲烷体积分数与QBIC谐振峰的变化呈较好的线性关系。设计了一种方环金属超表面甲烷传感器，将其与圆环结构进行对比，发现圆环结构在Q因子、调制深度和灵敏度等方面均优异于方环结构。
Abstract:Compared to traditional methane sensors used in mines, the metasurface methane sensor has significant advantages in sensitivity, stability, and other aspects, making it better suited to meet the practical needs of mine production. To address the issue of relatively low sensitivity to refractive index in existing metal terahertz metasurface sensors, a terahertz metasurface methane sensor based on bound states in the continuum was designed. The metasurface structure consisted of a three-layer configuration: metal dielectric metal (MDM), where the metal material was gold, and the dielectric material was polyimide. The upper metal structure was a circle, and by adjusting the size of the opening on the left side, the symmetry of the structure could be altered, which in turn induced quasi bound states in the continuum (QBIC). The analysis results showed that when the left-side opening gap was 5 μm, the modulation depth was maximal at 95.69%. A methane-sensitive membrane material (cryptophane-A) was then applied to the metasurface structure to form the methane sensor. Five different methane volume fractions and five environmental refractive indices were selected to validate the methane sensor's detection performance. The results showed that the sensitivity of the metal terahertz metasurface sensor to refractive index and methane volume fraction were 949 GHz/RIU and 4.4 GHz/%, respectively, and both the refractive index and methane volume fraction exhibited a good linear relationship with the QBIC resonance peak shift. A square ring metal metasurface methane sensor was designed and compared with the circular ring structure. It was found that the circular ring structure outperformed the square ring structure in terms of Q factor, modulation depth, and sensitivity.
-
0. 引言
随着我国煤矿开采强度的提高、开采深度的增加，地质条件越来越复杂，导致矿井瓦斯爆炸等事故频发。近20 a来，我国共发生煤与瓦斯突出事故484起，死亡3 195人[1]，其中瓦斯爆炸事故占较大比例。甲烷作为瓦斯的主要成分之一，矿井不同地方对于甲烷浓度的要求不同[2]。因此，矿用甲烷传感器的灵敏度至关重要。目前，矿用甲烷传感器主要包括催化燃烧式、半导体、红外光谱和光离子化等类型[3-5]。在实际应用中，催化燃烧式传感器易受温度和湿度等环境因素的影响，且催化剂表面温度过高会使其成为爆炸源[6]；红外光谱传感器易因烷烃气体吸收谱线重叠而出现误差[7]。因此，开发一种新型矿用甲烷传感器显得尤为重要。
超表面是一种人工设计的具有亚波长厚度的电磁材料，已经广泛应用于传感[8]、滤波[9]、吸收[10]、成像[11]等领域。相较于普通气体传感器，超表面气体传感器具有体积小、灵敏度高、稳定性强等优势，能够更好地满足矿井复杂环境要求[12-13]。超表面气体传感一个重要的参考指标是Q因子，可用于衡量超表面传感器谐振品质、能量损耗和灵敏度等关键性能。为了提升超表面传感器的Q因子，一种基于连续域束缚态（Bound States in the Continuum，BIC）的超表面传感器应运而生。BIC是一种广泛存在于许多物理场中的无泄漏模式，能够实现波的完美束缚[14]。BIC分为偶然型BIC和对称保护型BIC。偶然型BIC通过调节参数使不同种类波的干涉相消，从而使谐振线宽消失，实现BIC。对称保护型BIC是不向外界辐射能量且线宽为零的理想状态，理论上具有无限大的Q因子。如果破坏结构的对称性，则BIC与不同对称性的辐射模耦合，产生辐射泄漏，实现BIC到具有有限Q因子的准连续域束缚态（Quasi Bound States in the Continuum，QBIC）的转变[15]。Liu Bingwei等[16]通过在金属超表面结构中引入不对称结构，控制电四极子和磁偶极子之间的干涉耦合，折射率灵敏度为420 GHz/RIU，在传感方面具有潜在应用前景。Wang Ride等[17]设计了一种利用磁偶极子的QBIC太赫兹等离子体元传感器，折射率灵敏度为674 GHz/RIU。但这些金属太赫兹超表面传感器对折射率的灵敏度相对较低，难以满足矿井应用要求。
在先前工作中，笔者提出了基于Fano谐振的全介质超表面甲烷传感器，通过硅纳米结构实现了高灵敏度和偏振无关性[18]。本文进一步创新性地设计了一种基于BIC的金属圆环太赫兹超表面，实现了对不同浓度甲烷气体的检测。相较于全介质Fano结构，本文采用金属−介质−金属（Metal Dielectric Metal，MDM）圆环设计，在太赫兹波段实现了更高的折射率灵敏度和更好的线性拟合。
1. 理论模型与结构设计
1.1 超表面结构设计
太赫兹超表面为MDM三层结构，其阵列如图1（a）所示。上层和下层材料为金，厚度t1=0.2 μm，电导率σ=4.561×107 S/m；中间介质层材料为聚酰亚胺，厚度t2=10 μm，介电常数为3.5。单元结构如图1（b）所示，x和y方向的周期P=Px=Py=20 μm，圆环结构外径R1=9 μm，内径R2=7 μm，圆环右侧开口间距g1=2 μm，通过调节左侧开口间距g2可实现对QBIC光谱的调节。
使用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics进行计算和仿真，计算过程选取超表面结构的1个周期作为仿真域。由于该结构打破的是y方向的对称性，x方向仍然保持对称，所以将入射光设置为TE波（横电波），沿z方向垂直入射，x和y方向设置为周期性边界条件，z方向设置完美匹配层。
1.2 对称结构
当g1=g2=2 μm时，结构保持C2对称性。通过仿真测试了超表面在入射TE波时的反射光谱特性（图2（a）），反射光谱仅在8.27 THz出现了1个反射峰。该模式下的电场和磁场分布如图2（b）所示。电场能量主要集中在圆环左右2个狭缝处、圆环最高点和最低点。由于结构的对称性设计，电场关于x轴和y轴方向对称分布。电场中红色区域表示正电场的强集聚点，而蓝色区域则表示负电场的强集聚点，在狭缝处、圆环最高点和最低点分别形成了等大反向的电场分布，且上下2个半圆环的左右两端电场同向，通过该电场分布能够很明显观察到电偶极子的存在。同时能够观察到y方向截面中环形磁场的分布，这也说明了环偶极子的存在。为了定量分析该模式下谐振产生的物理机制，在笛卡尔坐标系下对其进行多极分解，分别计算了电偶极子、磁偶极子、环偶极子、电四极子和磁四极子的对数归一化散射功率[19]，如图2（c）所示。
电偶极子散射功率：
$$ P=\frac{1}{{\mathrm{i}}\omega}\int_{ }^{ }{\boldsymbol{j}}\mathrm{d}^3{\boldsymbol{r}} $$ (1) 式中：$\omega $为角频率；${\boldsymbol{j}}$为感应电流密度；${\boldsymbol{r}}$为位置矢量。
磁偶极子散射功率：
$$ M=\frac{1}{2c}\int_{ }^{ }\left(\boldsymbol{r}\times\boldsymbol{j}\right)\mathrm{d}^3\boldsymbol{r} $$ (2) 式中$c$为真空中的光速。
环偶极子散射功率：
$$ T = \frac{1}{{10c}}\int [ ({\boldsymbol{r}} \cdot {\boldsymbol{j}}){\boldsymbol{r}} - 2{{\boldsymbol{r}}^2}j]{{\mathrm{d}}^3}{\boldsymbol{r}} $$ (3) 电四极子散射功率：
$$ Q_{\alpha ,\beta }^{({\mathrm{e}})} = \frac{1}{{{\mathrm{i}}2\omega }}\int \left( {r_\alpha }{j_\beta } + {r_\beta }{j_\alpha } - \frac{2}{3}({\boldsymbol{r}} \cdot {\boldsymbol{j}})\right){{\mathrm{d}}^3}{\boldsymbol{r}} $$ (4) 式中$ \alpha ，\beta $表示x，y，z 3个方向的分量。
磁四极子散射功率：
$$ Q_{\alpha ,\beta }^{({\mathrm{m}})} = \frac{1}{{3c}}\int [ {({\boldsymbol{r}} \times {\boldsymbol{j}})_\alpha }{r_\beta } + {({\boldsymbol{r}} \times {\boldsymbol{j}})_\beta }{r_\beta }]{{\mathrm{d}}^3}{\boldsymbol{r}} $$ (5) 多极分解所计算的不同多极矩的散射功率可以展现不同极子在这一谐振频率中的贡献占比。从对称结构的远场散射功率随频率的变化情况可以直观地得到谐振频率附近不同极子的激发情况。在谐振频率8.27 THz附近，电偶极子占比明显增多，在远场散射功率中贡献最大，其次是环偶极子，说明在对称结构中，谐振主要是由电偶极子所激发，这与前面根据电场和磁场分布得出的分析结果基本一致。
1.3 非对称结构
当g2≠g1时，原结构的C2对称性被打破，出现辐射泄漏，原本存在的辐射向高频移动，同时在低频处出现了新的谐振，即QBIC谐振。当g2从2 μm增加到5 μm时，QBIC谐振的线宽逐渐增大，结构原本存在的谐振和新产生的QBIC谐振也逐渐向高频移动，如图3（a）所示。随着对称结构被打破，在原有反射峰的右侧也出现了一个小型的QBIC谐振峰。由于该峰性能较差且与原有谐振频率较为接近，对于本文所要分析的传感特性意义不大，所以重点分析左侧性能更好的QBIC峰。当g2=5 μm时，反射曲线如图3（b）所示，原来存在的反射峰蓝移至8.544 THz处，QBIC谐振出现在4.112 THz处。打破对称性后QBIC谐振下的金属圆环表面电场和磁场分布如图3（c）所示，由于沿y方向的结构对称性被打破，所以原本对称分布的电场不再沿y方向对称分布，上下2个半环左右两端的电场反向分布。根据金属内部表面电流的流向和右手定则，在圆环内部会形成一个负向磁场，圆环外会形成一个正向磁场。金属圆环内部电场分布如图3（d）所示，结合内部表面电流分布，能够明显观察到电四极子的存在。同样，在笛卡尔坐标系下，利用电磁多极理论进行分析，结果如图3（e）所示，在QBIC谐振下，磁偶极子占主导，其次是电四极子。
结合电场和磁场分布情况可以发现，磁偶极子与电四极子是伴生的，这也证明了在3.8～4.2 THz附近存在一个无辐射损耗的对称保护型BIC。能量被完全束缚在结构中，不会向外泄漏到自由空间中，只有在打破对称性后，能量泄漏才能形成谐振。
Q因子和调制深度MD是衡量超表面结构光谱特性的重要指标，其计算公式分别为[20]
$$ Q = \frac{{{f_0}}}{{\Delta f}} $$ (6) $$ {\mathrm{MD}} = \frac{{|{T_{{\mathrm{max}}}} - {T_{\min }}|}}{{{T_{\max }}}} \times 100 {\text{%}} $$ (7) 式中：${f_0}$为谐振频率；$\Delta f$为半功率点的频宽，即3 dB带宽；${T_{\max }}$为谐振峰处的反射率；${T_{\min }}$为谐振谷处的反射率。
调制深度是在外部刺激下，超表面光学响应（如反射率、透射率或吸收率）相对于未调制状态下的变化程度。通过改变结构的几何参数，可改变QBIC谐振的2个性能参数Q和MD。固定开口大小g1和圆环内径R2对Q，MD的影响见表1。当g1为2 μm、R2为7 μm时传感性能较优，该条件下，金层厚度t1从0.02 μm增加至2 μm的反射光谱如图4所示。金层厚度变化对Q，MD的影响见表2，可看出金层厚度为0.2 μm时传感性能较优。
表 1 几何参数变化对Q，MD的影响Table 1. Influence of geometric parameter changes on Q and MDg1/μm R2/μm Q MD 1 6.8 18.53 58.49 7.0 20.18 61.21 7.2 18.89 63.34 2 6.8 41.76 96.41 7.0 42.43 95.69 7.2 41.30 96.24 3 6.8 45.74 58.10 7.0 44.45 56.12 7.2 41.69 53.84 表 2 金层厚度变化对Q，MD的影响Table 2. Influence of gold layer thickness changes on Q and MDt1/μm Q MD t1/μm Q MD 0.02 38.69 92.29 1.2 46.43 86.62 0.2 42.43 95.69 1.4 47.73 65.65 0.4 41.77 94.02 1.6 48.21 84.47 0.6 44.68 91.88 1.8 48.17 83.90 0.8 43.36 89.35 2.0 48.35 83.38 1.0 45.27 88.18 2. QBIC谐振传感性能验证
根据图3（a）和式（7）可知，g2=5 μm时调制深度最大，光谱线较宽，谐振强度相对较强。此时存在原有谐振和QBIC谐振，为了检验2种谐振下传感器的性能，在超表面结构上覆盖1层甲烷气敏膜材料（cryptophane-A），得到甲烷传感器，膜的厚度为0.2 μm，长度刚好覆盖上层金属结构。cryptophane-A分子结构中存在一个空腔，空腔大小与甲烷分子接近，当甲烷遇到这种材料时，会被捕捉到空腔内，如图5所示[21]。这种材料主要通过磁控溅射沉积技术、化学沉积技术、溶胶−凝胶技术等方法制备[22]，对于甲烷具有较高灵敏性，其折射率${n_{{\text{eff - C}}{{\text{H}}_{\text{4}}}}}$与气体体积分数C之间的关系为[23]
$$ {n_{{\text{eff-C}}{{\text{H}}_{\text{4}}}}} = 1.447\,8 - 0.003\,8C $$ (8) ![]()
取体积分数分别为0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%的甲烷进行仿真，环境折射率为1时的反射光谱仿真结果如图6（a）所示。随着甲烷体积分数增大，反射光谱的谐振频率逐渐增大，发生蓝移。谐振频率f与甲烷体积分数$C$呈明显的线性关系，即f=0.004 4C+3.628 3，如图6（b）所示，曲线的斜率为该传感器对甲烷气体的灵敏度，为4.4 GHz/%，线性拟合度达99.18%，可用于井下甲烷检测。但实际煤矿生产环境中存在温度较高、气压较大等情况，会对环境折射率产生一定影响。因此，可以通过检测环境折射率来判断井下环境的具体情况，从而提高煤矿生产安全性。
![]()
图 6 不同体积分数下甲烷传感器性能仿真结果Figure 6. Simulation results of methane sensor performance at different volume fractions设环境折射率n分别为1.00，1.02，1.04，1.06，1.08，1.10进行仿真，QBIC和原有谐振的反射光谱如图7（a）所示。随着环境折射率逐渐增大，反射光谱的整体形状仅有微小变化，说明2种谐振下的Q因子基本不变，不会影响传感器基本性能。同时，2种谐振下谐振频率均减小，即反射光谱发生红移。QBIC谐振频率与环境折射率的关系如图7（b）所示，通过线性拟合可得$ f = - 0.949n + 5.059 $，拟合度达99.57%；原有谐振频率与环境折射率的关系如图7（c）所示，通过线性拟合可得$ f = - 1.040n + 9.857 $，线性拟合度达99.55%。曲线斜率表示折射率灵敏度，QBIC和原有谐振折射率灵敏度分别为949，1 040 GHz/RIU。通过灵敏度和线性拟合度判断2种谐振下传感性能几乎无异，但通过计算得到QBIC和原有谐振的调制深度分别为95.69%和71.20%。因此，QBIC谐振的传感性能明显优于原有谐振。
![]()
图 7 不同环境折射率下甲烷传感器性能仿真结果Figure 7. Simulation results of methane sensor performance at different environmental refractive indices3. 与方环结构的性能对比
为了验证圆环结构的传感性能，设计了一种金属正方环形结构，方环外围边长为16 μm，内侧边长为12 μm，在相同的不对称度下进行对比（g2=5 μm，g1=2 μm），如图8（a）所示。在该结构下，QBIC谐振出现在3.86 THz处，如图8（b）所示，此时Q因子为41.45，调制深度为90.01%。该结构QBIC谐振时的多极分解如图8（c）所示，电场和磁场分布如图8（d）所示，方环结构与圆环结构的结果基本相同，均为磁偶极子所激发。
![]()
图 8 方环结构的参数和相关物理特性Figure 8. Parameters and related physical properties of square ring structure同样选取5种甲烷体积分数和6种环境折射率对方环结构QBIC谐振进行分析，结果如图9所示。
由图9（a）和图9（b）可知，随着甲烷体积分数升高，反射光谱的谐振频率逐渐增大，发生蓝移。谐振频率f与甲烷体积分数C呈明显的线性关系，即f=0.004 16C+3.616 8，拟合度为98.26%，甲烷体积分数的灵敏度为4.16 GHz/%。由图9（c）和图9（d）可知，随着环境折射率逐渐增大，谐振频率均减小，即反射光谱发生红移。谐振频率f与环境折射率呈明显的线性关系，即f = −0.858n+4.547，拟合度为97.81%，折射率灵敏度为858 GHz/RIU。详细参数对比见表3，可看出圆环结构传感器的基本性能和传感性能均优于方环结构。
![]()
图 9 方环结构传感器的性能仿真结果Figure 9. Simulation results of square ring structure sensor performance表 3 圆环和方环结构传感器性能对比Table 3. Comparison of performance between circular and square ring structure sensors形状 性能参数 参数值 圆环 Q因子 42.43 调制深度/% 95.6 折射率灵敏度/(GHz·RIU−1) 949 甲烷体积分数灵敏度/(GHz·%−1) 4.4 方环 Q因子 41.45 调制深度/% 90.01 折射率灵敏度/(GHz·RIU−1) 858 甲烷体积分数灵敏度/(GHz·%−1) 4.16 本文设计的传感器与现有太赫兹超表面传感器的折射率灵敏度对比结果见表4，可看出本文设计的太赫兹超表面甲烷传感器的灵敏度最高，具备良好的应用价值。
表 4 太赫兹超表面传感器折射率灵敏度对比Table 4. Comparison of refractive index sensitivities of terahertz metasurface sensors4. 结论与展望
4.1 结论
1） 基于连续域束缚态设计了一种金属圆环的超表面结构，通过改变圆环左侧开口大小破坏结构的对称性，实现BIC向QBIC的转变。该结构调制深度为95.69%，在金属超表面传感器中表现出优异性能。
2） 在超表面结构上涂敷甲烷气敏材料，实现对甲烷的传感检测。仿真结果表明，该超表面传感器对甲烷的灵敏度为4.4 GHz/%，折射率灵敏度高达949 GHz/RIU，线性拟合度均超过99%。
3） 设计了一种方环金属超表面甲烷传感器，对比发现，圆环结构在Q因子、调制深度和灵敏度等方面优于方环结构，为超表面甲烷传感器的设计提供了思路。
4.2 不足与未来展望
基于连续域束缚态提出了一种灵敏度较高的超表面甲烷传感器，但在以下方面仍存在一定局限性：
1） 仿真的局限性。研究完全基于电磁仿真平台（如COMSOL Multiphysics），未涉及实际器件的制备与实验验证。仿真模型能反映理想条件下的性能，但实际加工中的工艺误差（如金属层粗糙度、介质层均匀性）可能显著影响QBIC谐振的Q因子和调制深度。此外，矿井实际环境中温度、湿度和气压等因素对传感器性能的影响需进一步探究。
2） 未考虑气敏材料稳定性。研究中气敏材料（cryptophane-A）的折射率与甲烷浓度呈完美线性关系，但实际应用中，材料可能受温度、湿度干扰或共存气体（如CO2、水蒸气）的影响，此外，在加工中甲烷气敏膜涂敷的均匀性等问题仍需进一步探究。
3） 参数优化的局限性。当前结构优化依赖手动参数扫描（如开口尺寸、金层厚度），缺少多种集合参数的协同优化，限制了性能进一步提升。未来可构建参数敏感度矩阵，结合机器学习驱动的优化框架，实现Q因子、灵敏度和调制深度的均衡提升。
针对上述局限性，在今后的研究中还需要开展以下工作：
1） 搭建太赫兹频段的实验平台，通过电子束光刻法[25]制备超表面器件，并利用太赫兹时域光谱系统实测反射谱。同时，设计甲烷浓度、温度和湿度等可控的气体测试腔，模拟矿井环境，验证仿真结果。
2） 可以结合机器学习开发自适应校准模型，以应对矿井环境的动态变化，采集多维度数据（如谐振频率、温度和湿度等），构建基于神经网络的回归模型，实时预测甲烷浓度，以提高检测的灵活性[26]。
3） 根据矿井实际工作环境，结合已有的矿井甲烷传感子系统和煤矿安全监测系统，设计超表面甲烷检测系统，通过煤矿安全监测系统的分层架构实现数据采集和传输，确保矿井内外的安全监控。
-
![]()
![]()
图 6 不同体积分数下甲烷传感器性能仿真结果
Figure 6. Simulation results of methane sensor performance at different volume fractions
![]()
图 7 不同环境折射率下甲烷传感器性能仿真结果
Figure 7. Simulation results of methane sensor performance at different environmental refractive indices
![]()
图 8 方环结构的参数和相关物理特性
Figure 8. Parameters and related physical properties of square ring structure
![]()
图 9 方环结构传感器的性能仿真结果
Figure 9. Simulation results of square ring structure sensor performance
表 1 几何参数变化对Q，MD的影响
Table 1 Influence of geometric parameter changes on Q and MD
g1/μm R2/μm Q MD 1 6.8 18.53 58.49 7.0 20.18 61.21 7.2 18.89 63.34 2 6.8 41.76 96.41 7.0 42.43 95.69 7.2 41.30 96.24 3 6.8 45.74 58.10 7.0 44.45 56.12 7.2 41.69 53.84 
下载: 导出CSV
表 2 金层厚度变化对Q，MD的影响
Table 2 Influence of gold layer thickness changes on Q and MD
t1/μm Q MD t1/μm Q MD 0.02 38.69 92.29 1.2 46.43 86.62 0.2 42.43 95.69 1.4 47.73 65.65 0.4 41.77 94.02 1.6 48.21 84.47 0.6 44.68 91.88 1.8 48.17 83.90 0.8 43.36 89.35 2.0 48.35 83.38 1.0 45.27 88.18
下载: 导出CSV
表 3 圆环和方环结构传感器性能对比
Table 3 Comparison of performance between circular and square ring structure sensors
形状 性能参数 参数值 圆环 Q因子 42.43 调制深度/% 95.6 折射率灵敏度/(GHz·RIU−1) 949 甲烷体积分数灵敏度/(GHz·%−1) 4.4 方环 Q因子 41.45 调制深度/% 90.01 折射率灵敏度/(GHz·RIU−1) 858 甲烷体积分数灵敏度/(GHz·%−1) 4.16
下载: 导出CSV
-
[1] 张超林,王恩元,王奕博,等. 近20年我国煤与瓦斯突出事故时空分布及防控建议[J]. 煤田地质与勘探,2021,49(4):134-141. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.016 ZHANG Chaolin,WANG Enyuan,WANG Yibo,et al. Spatial-temporal distribution of outburst accidents from 2001 to 2020 in China and suggestions for prevention and control[J]. Coal Geology & Exploration,2021,49(4):134-141. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.016
[2] 国家安全生产监督管理总局. 煤矿安全规程[M]. 北京:煤炭工业出版社,2022. State Administration of Work Safety. Coal mine safety regulations[M]. Beijing:Coal Industry Press,2022.
[3] 马啸,卫琛浩,景欣瑞,等. 矿井瓦斯传感器研究现状及发展趋势[J]. 煤炭与化工,2023,46(3):99-102,105. MA Xiao,WEI Chenhao,JING Xinrui,et al. Research status and development trend of mine gas sensor[J]. Coal and Chemical Industry,2023,46(3):99-102,105.
[4] 刘文鹏,陈向东,吴宇尘. 基于脉冲供电的催化燃烧式气体传感系统[J]. 信息技术,2020,44(8):1-6,11. LIU Wenpeng,CHEN Xiangdong,WU Yuchen. Catalytic combustion gas sensing system based on pulse power[J]. Information Technology,2020,44(8):1-6,11.
[5] CHEN Yang,ZHANG Wenshuang,LUO Na,et al. Defective ZnO nanoflowers decorated by ultra-fine Pd clusters for low-concentration CH4 sensing:controllable preparation and sensing mechanism analysis[J]. Coatings,2022,12(5). DOI: 10.3390/coatings12050677.
[6] 陈享享,刘天豪,欧阳云飞,等. 基于金属氧化物半导体的瓦斯气体传感器研究现状及进展[J]. 金属矿山,2023(11):34-44. CHEN Xiangxiang,LIU Tianhao,OUYANG Yunfei,et al. Research status and progress of coal mine gas sensor based on metal oxide semiconductor[J]. Metal Mine,2023(11):34-44.
[7] 梁运涛,陈成锋,田富超,等. 甲烷气体检测技术及其在煤矿中的应用[J]. 煤炭科学技术,2021,49(4):40-48. LIANG Yuntao,CHEN Chengfeng,TIAN Fuchao,et al. Methane gas detection technology and its application in coal mines[J]. Coal Science and Technology,2021,49(4):40-48.
[8] FENG Jixin,WANG Xianghui,SHI Weinan,et al. Asymmetric dumbbell dimers simultaneously supporting quasi-bound states in continuum and anapole modes for terahertz biosensing[J]. Nanophotonics,2024,13(21):4007-4017. DOI: 10.1515/nanoph-2024-0254
[9] LYU Qihao,QIN Xu,HU Mingzhe,et al. Metatronics-inspired high-selectivity metasurface filter[J]. Nanophotonics,2024,13(16):2995-3003. DOI: 10.1515/nanoph-2024-0123
[10] QARONY W,MAYET A S,PONIZOVSKAYA-DEVINE E,et al. Achieving higher photoabsorption than group III-V semiconductors in ultrafast thin silicon photodetectors with integrated photon-trapping surface structures[J]. Advanced Photonics Nexus,2023,2(5). DOI: 10.1117/1.APN.2.5.056001.
[11] LI Liu,WANG Shuai,ZHAO Feng,et al. Single-shot deterministic complex amplitude imaging with a single-layer metalens[J]. Science Advances,2024,10(1). DOI: 10.1126/sciadv.adl0501.
[12] LIU Zeqian,WANG Bin,WANG Shang,et al. Mid-infrared high performance dual-Fano resonances based on all-dielectric metasurface for refractive index and gas sensing[J]. Optics & Laser Technology,2024,177. DOI: 10.1016/j.optlastec.2024.111140.
[13] DANILA O,GROSS B M. Towards highly efficient nitrogen dioxide gas sensors in humid and wet environments using triggerable-polymer metasurfaces[J]. Polymers,2023,15(3). DOI: 10.3390/polym15030545.
[14] MARINICA D C,BORISOV A G,SHABANOV S V. Bound states in the continuum in photonics[J]. Physical Review Letters,2008,100(18). DOI: 10.1103/PhysRevLett.100.183902.
[15] 姚建铨,李继涛,张雅婷,等. 周期光学系统中的连续域束缚态[J]. 中国光学(中英文),2023,16(1):1-23. DOI: 10.37188/CO.2022-0022 YAO Jianquan,LI Jitao,ZHANG Yating,et al. Bound states in continuum in periodic optical systems[J]. Chinese Optics,2023,16(1):1-23. DOI: 10.37188/CO.2022-0022
[16] LIU Bingwei,PENG Yan,JIN Zuanming,et al. Terahertz ultrasensitive biosensor based on wide-area and intense light-matter interaction supported by QBIC[J]. Chemical Engineering Journal,2023,462. DOI: 10.1016/j.cej.2023.142347.
[17] WANG Ride,XU Lei,HUANG Lujun,et al. Ultrasensitive terahertz biodetection enabled by quasi-BIC-based metasensors[J]. Small,2023,19(35). DOI: 10.1002/smll.202301165.
[18] 刘海,周彤,陈聪,等. 基于Fano共振的全介质型超表面甲烷传感器设计[J]. 工矿自动化,2023,49(9):106-114. LIU Hai,ZHOU Tong,CHEN Cong,et al. Design of all dielectric metasurface methane sensor based on Fano resonance[J]. Journal of Mine Automation,2023,49(9):106-114.
[19] CHEN Xu,FAN Wenhui,JIANG Xiaoqiang,et al. High-Q toroidal dipole metasurfaces driven by bound states in the continuum for ultrasensitive terahertz sensing[J]. Journal of Lightwave Technology,2022,40(7):2181-2190. DOI: 10.1109/JLT.2021.3132727
[20] LEI Pengliang,NIE Guozheng,LI Huilin,et al. Multifunctional terahertz device based on plasmon-induced transparency[J]. Physica Scripta,2024,99(7). DOI: 10.1088/1402-4896/ad5120.
[21] 王帅. 基于SPR的光纤甲烷气体传感研究[D]. 西安:西安石油大学,2021. WANG Shuai. Research on fiber optic methane gas sensing based on SPR[D]. Xi'an:Xi'an Shiyou University,2021.
[22] 郭岩宝,刘承诚,王德国,等. 甲烷传感器气敏材料的研究现状与进展[J]. 科学通报,2019,64(14):1456-1470. DOI: 10.1360/N972018-00698 GUO Yanbao,LIU Chengcheng,WANG Deguo,et al. Advances in the development of methane sensors with gas-sensing materials[J]. Chinese Science Bulletin,2019,64(14):1456-1470. DOI: 10.1360/N972018-00698
[23] YANG Jianchun,ZHOU Lang,CHE Xin,et al. Photonic crystal fiber methane sensor based on modal interference with an ultraviolet curable fluoro-siloxane nano-film incorporating cryptophane A[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,2016,235:717-722. DOI: 10.1016/j.snb.2016.05.125
[24] CHEN Yuxuan,SUN Yongzheng,ZHOU Weijun,et al. Conductively coupled terahertz metamaterials with dual functions of electromagnetically induced transparent and Fano effects for sensing applications[J]. Physica Scripta,2024,99(10). DOI: 10.1088/1402-4896/ad7338.
[25] CHEN Yiqin,BI Kaixi,WANG Qianjin,et al. Rapid focused ion beam milling based fabrication of plasmonic nanoparticles and assemblies via "sketch and peel" strategy[J]. ACS Nano,2016,10(12):11228-11236. DOI: 10.1021/acsnano.6b06290
[26] RUSSELL B J,MENG Jiajun,CROZIER K B. Mid-infrared gas classification using a bound state in the continuum metasurface and machine learning[J]. IEEE Sensors Journal,2023,23(19):22389-22398. DOI: 10.1109/JSEN.2023.3305598
计量
- 文章访问数: 4
- HTML全文浏览量: 0
- PDF下载量: 0
