- 用于實時監測的快速響應比色傳感器擴展了色域
- 來源：釜山國立大學 傳感器網 發表于 2024/10/23
比色傳感器通過直觀地改變顏色來檢測環境變化，肉眼很容易看到，無需額外的設備。此外，它們以零功耗運行。這些傳感器無需任何額外設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用中發揮關鍵作用，在這些應用中，最佳濕度對于質量控制至關重要。
為了準確檢測濕度，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性，快速響應并保持長期穩定性。通過結構變化實現著色的傳感器通常比基于化學反應的傳感器更有利。
其中，利用法布里-佩羅共振的金屬-水凝膠-金屬 （MHM） 結構因其簡單性和多樣化的顏色產生而脫穎而出，因為水凝膠腔厚度的變化，通常使用殼聚糖等溶脹材料，導致不同的顏色。但是，傳統設計仍然存在顏色表示受限和響應速度慢的問題。
為了解決這些問題，由釜山國立大學電氣與電子工程學院 Gil Ju Lee 副教授領導的韓國研究團隊開發了一種創新的二維 （2D） 納米結構 Fano 諧振比色傳感器 （nFRCS）。
Lee 博士解釋說：“我們的設計引入了利用 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能力。研究結果發表在《光學》雜志上。
nFRCS 由銀-殼聚糖-銀的 MHM 結構組成，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 諧振器轉變為 Fano 諧振器的關鍵補充，從而顯著改善了色彩表現。
此外，nFRCS 將 2D 納米空穴陣列 （NHA） 整合到 MHM 層中，為周圍環境中的水蒸氣建立了一條直接到達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，導致與濕度水平相關的顏色變化。
這些 NHA 還提高了傳感器的響應能力，其有序模式促進了額外的光-物質相互作用，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，該光刻技術使用類似沖壓的方法將納米級圖案轉移到 MHM 層上。與傳統昂貴的納米結構制造技術相比，這種方法既節省了時間又節省了成本。
在實驗中，制造的 nFRCS 顯示出寬色域，超過了標準 RGB （sRGB），顯示出 141% 的 sRGB 覆蓋率和 105% 的 Adobe RGB 覆蓋率，優于以前的研究。此外，它表現出出色的響應能力，響應時間和恢復時間分別為 287 毫秒和 87 毫秒。
Lee 博士強調了傳感器的更廣泛應用，他說：“除了濕度傳感之外，nFRCS 還可以用作健康監測設備、智能顯示器和室內材料，通過產生不同的色偏來對外部刺激做出反應。這種設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境變化。
總體而言，這款創新傳感器標志著零功率實時環境監測的重大飛躍。
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