AuNPs@Ti 3C 2T x MXene 提高的高灵敏度 Mach-Zehnder 干涉仪微结构光纤温度传感器

《Optical Fiber Technology》：AuNPs@Ti 3C 2T x MXene enhanced highly sensitive Mach-Zehnder interferometer microstructured fiber temperature sensor

本研究开发了一种基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构的光纤温度传感器，通过表面涂覆AuNPs@Ti3C2Tx MXene复合材料，显著提升了温度灵敏度。实验表明，在30-80°C范围内，该传感器灵敏度达88.9 pm/°C，较未涂层传感器提高61.3%，并具有优异的线性响应和稳定性。该方法制备工艺简单，结构稳定，为高灵敏度光纤温度传感提供新方案。

　　

沈涛|尹建涛|刘欣|于平安|冯月

中国哈尔滨工业大学模式识别与信息感知黑龙江省重点实验室，哈尔滨 150080

摘要

本研究开发了一种基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构的光纤温度传感器。通过将AuNPs@Ti?C?T? MXene传感材料涂覆在光纤表面，显著提高了传感器的温度灵敏度，解决了现有温度检测方法中存在的灵敏度限制问题。通过仿真优化了光纤结构参数，并在30°C至80°C的温度范围内对传感器的性能进行了实验测试。实验结果表明，与未涂覆敏感材料的传感器相比，涂覆Ti?C?T? MXene的传感器灵敏度提高了约10.1%；而采用逐层涂覆Ti?C?T? MXene和AuNPs的传感器灵敏度提高了约21.9%。特别是通过原位生长方法制备的AuNPs@Ti?C?T? MXene复合材料的传感器表现最佳，其温度灵敏度达到88.9 pm/°C，比未涂覆的传感器提高了61.3%，同时具有优异的线性响应和稳定性。这种性能提升主要得益于Au@Ti?C?T? MXene复合材料内部异质结构的形成。因此，AuNPs@Ti?C?T? MXene复合涂层有效增强了光纤温度传感器的灵敏度。该方法制备过程简单，结构稳定，为高灵敏度光纤温度传感提供了可行的解决方案。

引言

温度检测作为一种基本且关键的传感技术，在电气设备、生物医学应用和锂离子电池等领域发挥着不可或缺的作用[1]、[2]、[3]。光纤传感器具有抗电磁干扰、耐恶劣环境、体积小、灵敏度高以及能够实现分布式监测等优点[4]、[5]、[6]。近年来，随着对更精确的温度测量和更宽温度测量范围的需求增加，研究人员一直在积极改进和创新光纤传感器的结构设计。Wang等人制备了一种单模蓝宝石光纤布拉格光栅（FBGs）温度传感器，该传感器采用标准单模硅光纤尾纤，其在100–1200°C的温度范围内的灵敏度为35.1 pm/°C[7]。Song等人提出了一种具有混合SMTMS（多模-锥形-多模）结构的光纤，并研究了不同多模光纤长度和锥形区域长度对温度响应的影响，发现其在20°C至60°C范围内的最大灵敏度为-145.8 pm/°C[8]。Bendigeri等人将温度传感FBGs固定在热膨胀系数高的基底上，这些FBGs在25°C至200°C范围内的温度灵敏度为13.15 pm/°C[9]。

由于石英的光热系数和热膨胀系数较低，纯光纤制成的传感器温度灵敏度较低。随着化学光纤传感器的出现，人们广泛研究了使用高光热系数热敏材料和表面等离子体共振技术来提高光纤的灵敏度。Yang等人提出了一种基于SMTMS（多模-薄芯-多模）光纤的新型高灵敏度温度传感器，通过在光纤传感部分涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS），其在20°C至85°C范围内的温度灵敏度从47.14 pm/°C提高到了75.04 pm/°C，提高了1.6倍[10]。Jiang等人提出了一种基于镀银Fe?O?纳米棒的圆锥形无芯光纤传感器，在25°C至60°C范围内实现了温度和湿度的双参数检测，其温度灵敏度高达454 pm/°C[11]。Zhang等人使用含有量子点和紫外固化粘合剂的墨水通过喷墨打印技术制备了CdSe/ZnS量子点光纤，这种光纤具有荧光特性，可用于温度检测，其温度灵敏度为115.0 pm/°C[12]。

二维材料表现出卓越的电学、机械和光学性能，这导致了过去十年对其的广泛研究[13]、[14]。近年来，过渡金属碳化物、碳氮化物和氮化物（MXenes）作为最突出的二维材料得到了广泛应用。MXene材料主要是通过选择性蚀刻MAX相陶瓷中的A元素合成的，其中M代表过渡金属元素（Ta、Ti、Mo、Nb等），A表示第三或第四主族元素（Al、Si等），X通常是碳或氮[15]、[16]。在众多MXene材料中，Ti?C?T?是研究最广泛的代表之一。这里的下标T?表示与过渡金属碳化物层共价键合的表面官能团，这些官能团通常在选择性蚀刻母体MAX相过程中引入。由于MXene材料具有丰富的表面活性官能团（如-OH、-F和-O）和高比表面积，以及高的载流子迁移率和宽光谱吸收特性，它在光学领域受到了广泛关注。Jin等人研究了一种基于错位连接SMTMS（多模-薄芯-多模）结构的高灵敏度光纤传感器，该传感器能够原位检测微生物腐蚀标志物细胞色素c，在细胞色素c浓度范围0 μM至7 μM内，其灵敏度为1.428 nm/μM[17]。Peng等人提出了一种基于超灵敏光学模式耦合器（OMC）的折射率传感器，该传感器涂覆了Ti?C?T? MXene，其灵敏度比以往设计提高了约87%，折射率灵敏度达到-1.7 × 10? nm/RIU[18]。Zhou等人提出了一种结合V?C-MXene和SNMNS（无芯-多模-无芯）的方法，这种方法使温度灵敏度提高了43%，达到64 pm/°C[19]。基于MXene的纳米复合材料还在光催化领域有广泛应用[20]。

由于其紧凑的结构、高稳定性和与功能材料的良好兼容性，MZI在光纤传感中得到了广泛应用[21]。尽管取得了这些进展，传统MZI传感器的灵敏度仍不足以检测微弱信号。因此，本文提出了一种基于SNMNS（无芯-多模-无芯）光纤结构的MZI干涉式光纤温度传感器，该传感器使用了Ti?C?T? MXene和金纳米颗粒进行协同增敏。

首先，使用Rsoft BeamPROP BMP工具模拟和分析了无芯光纤中的光场能量分布。随后进行了实验，以确定最佳光纤长度。采用水浴法合成了内在的Ti?C?T? MXene，通过柠檬酸还原法制备了AuNPs。采用一步法制备了原位生长的AuNPs@Ti?C?T? MXene复合材料。分析了不同AuNPs负载方法下传感器的温度响应。AuNPs@Ti?C?T? MXene作为传感器的新颖包层材料，温度变化会导致材料层间间距和电子迁移率的变化，进而转化为光纤有效模式折射率的变化，从而实现温度监测。该传感器具有高灵敏度、优异的线性和出色的稳定性。

部分内容摘录

传感原理

该传感器基于MZI干涉仪结构，其输出光强度I由芯模式和包层模式之间的干涉决定：

$I\left(\lambda \right)=I_{\mathrm{core}}+I_{\mathrm{clad}}+2\sqrt{I_{}\mathrm{core}{I}_{}{I}_{}}\cos \left(\Delta \right)$$I_{}$$I_{}$$I_{}$${\Delta }_{}$$\phi$