石墨烯在光纖傳感中的應用

2018年12月18日，《自然》雜誌刊登的2018年度影響世界的十大科學人物的榜首是一位中國人，曹原。年僅22歲的他已在麻省理工學院攻讀博士學位，2018年3月5日，他在世界頂級期刊《Nature》上連刊兩文報導了他在石墨烯超導領域的重大發現——通過將兩層石墨烯扭轉出約1.1°的魔角（magic angle）時，會產生神奇的超導現象。這一重大發現再一次讓石墨烯成為了人們關注的熱點。

曹原

石墨烯作為一種新型材料，由於其獨特的性能，特別是光學性能，為其在光纖傳感器中的應用奠定了基礎。光纖傳感器以其高靈敏度、小尺寸、良好的抗電磁幹擾能力和其他潛在優點而受到全世界的關注。本文綜述了石墨烯在光纖傳感器應用中的發展，介紹了石墨烯的常用製備方法，總結了石墨烯的光學性質和一些基於石墨烯的光纖傳感器，如溫度傳感器、生物傳感器和氣體傳感器。

1. 石墨烯簡介

石墨烯是一種只有一個碳原子厚度的二維（2D）材料，長期以來一直被認為是一種假設的結構，直到2004年被2010年諾貝爾物理學獎獲得者Andre Geim和Konstantin Novoselov分離出來才終於以獨立形式存在。石墨烯是平面單層碳原子排列成2D蜂窩晶格，碳-碳鍵長為0.142nm。它是一種非常穩定的材料，具有很高的機械強度以及良好的電子和光學性能。由於石墨烯的每個原子都是表面原子，因而對外部環境十分敏感，因此基於石墨烯的納米結構在各種類型傳感器（如本文介紹的光纖傳感器）的應用中具有巨大潛力。

石墨烯

2. 常用製備方法

近年來，在石墨烯的基本性質和製備方法的研究方面取得了很大進展，目前常用的製備方法主要有微機械剝離法、化學剝離法、還原氧化石墨烯法、外延生長法、電化學剝離法、解壓縮碳納米管法、有機合成法以及化學氣相沉積（CVD）法等。其中CVD法是利用過渡金屬和一些貴金屬在高溫下促進甲烷或乙醇分子分解，在冷卻基板上碳在過渡金屬中的溶解度降低同時碳薄膜從表面沉澱，溫度和流速對於石墨烯的沉積至關重要。CVD法製備的石墨烯面積大、汙染小且易於轉移，因此傳感器中使用的大多數石墨烯是通過CVD方法製造的。

3. 石墨烯基本特性

石墨烯的導熱係數隨溫度的升高而先增加後降低，高導熱性石墨烯使其對環境溫度變化異常敏感，當溫度變化時，石墨烯的折射率會發生明顯變化。

單層石墨烯對白光的吸收率僅為2.3％，反射率可忽略不計（<0.1％）。石墨烯的光吸收隨石墨烯層數而線性增加，且墨烯的不同光吸收率導致TM模的反射率大於TE模，因此，通過測量TM模式和TE模式的反射光強度差異可以大大提高傳感系統的解析度和靈敏度。由於石墨烯具有高電子遷移率，因此其電導率很容易受到外部環境的影響進而影響其介電常數。此外，在磁場的作用下，石墨烯的電子和空穴將分離，隨著磁場強度的增加，光吸收的幅度也會隨之增加並且發生藍移。

石墨烯作為一種具有高電荷密度的六方環結構，任何原子都不能透過，即使是最小的氦原子也是如此。石墨烯能夠吸附一些分子，如氣體分子、重金屬離子和有機汙染物等，這些分子同樣不能穿透石墨烯。分子吸附後會使得石墨烯折射率發生變化，從而將分子濃度的檢測轉換為折射率的測量，因此可以通過石墨烯結合現有的折射率光纖傳感器測量更多種類的分子。

石墨烯也是一種等離子體材料，可以替換貴重金屬如金和銀。石墨烯塗覆在光纖中可以作為表面等離子體激元材料而形成表面等離子體共振（SPR）結構，當分析物的折射率改變時，SPR特徵波長將發生漂移。

此外，石墨烯還是一種光致發光材料，切割成3~20nm邊長的石墨烯被稱為石墨烯量子點（GQDs），可以產生光致發光效應。不同激發波長會使GQD產生不同的螢光，如400nm至540nm波長的光可以激發綠色螢光。

4. 石墨烯在光纖傳感器中的應用

基於石墨烯的光纖FP溫度傳感器

基於石墨烯的光纖SPR生物傳感器

基於石墨烯的錐形光纖乙醇傳感器

基於石墨烯的多模幹涉氣體傳感器

石墨烯布拉格光柵傳感器

5. 總結

近年來，研究人員對石墨烯給予了極大的關注，並在理論和實驗方面取得了很大進展。儘管基於石墨烯的光纖傳感器已經應用於許多應用，但是在可以實現商用光纖傳感器之前還有許多工作要做。

首先，現有的製備方法還不夠完善，例如石墨烯的尺寸和厚度難以控制，石墨烯會有一些缺陷或汙染。當石墨烯轉移到光纖表面時，很容易被汙染和損壞。同時，難以保證石墨烯均勻分布。因此，在目前的石墨烯研究中仍局限於理論和實驗室研究。

其次，石墨烯對許多物理參數非常敏感，這既是優點也是缺點。許多因素會相互幹擾，例如當檢測氣體濃度時，溫度也會對氣體傳感器產生幹擾，目前對這種交叉敏感問題還沒有完美的解決方案。

最後，石墨烯傳感器的可重複性和穩定性不容樂觀，當外部環境導致石墨烯的電子結構發生變化時，石墨烯需要一段時間才能恢復。石墨烯吸附化學分子後，很難自動恢復原狀，導致傳感器失效。目前有一些解決方法，如加熱和紫外線照射，但這些方法不適用於實際的檢測環境。

但總的來說，石墨烯仍然以其獨特優異的特性被廣大研究人員應用於光纖傳感器中，它在光纖傳感技術方面具有很大的潛力，在未來也會有長足的發展。

參考文獻：

Zhao, Y., Li, X. G., Zhou, X., & Zhang, Y. N. (2016). Review on the graphene based optical fiber chemical and biological sensors. Sensors and Actuators B: Chemical, 231, 324-340.

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