项目名称: 基于金属-有机框架材料的高灵敏度痕量爆炸物波导传感器研究

项目编号: No.U1533121

项目类型: 联合基金项目

立项/批准年度: 2016

项目学科: 无线电电子学、电信技术

项目作者: 吴杰云

作者单位: 电子科技大学

项目金额: 35万元

中文摘要: 随着爆炸物制备和恐怖活动隐匿水平的不断提高,航空安检面临更加严峻的挑战,建立和发展新的航空爆炸物探测技术以应对日益严峻的航空安全需要是人们迫切追求的。本项目拟设计以有机偶极分子为框架的多孔金属-有机框架材料(MOF),并以此作为波导传感包层,制备Mach-Zehnder型痕量爆炸物波导传感器,通过缺电子的爆炸物蒸汽与包层MOF中的偶极分子相互作用改变分子的微观极化率,进而改变包层传感区域的折射率,最终调制芯层的光场传输,实现痕量爆炸物在光波导器件上的传感功能。MOF高孔隙率、大比表面积、孔道规则有助于爆炸物气体的渗透与传输,实现高灵敏度和快速传感。波导传感器折射率传感精度高达10-7且不易受外界环境干扰的优势有望实现高达part per trillion的超高灵敏度爆炸物检测。同时,器件易于集成和封装,可为“片上实验室(Lab on Chip)” 的实现提供重要思路和技术基础。

中文关键词: 爆炸物气体传感器;金属-有机框架;多孔材料;光波导器件;Mach-Zehnder;干涉仪

英文摘要: Due to the elevated development of explosive preparation and hidden terrorist activities, aviation safety faces the severe challenges in real-time detection of explosives. In this aspect, developing new sensing ideas and methods for the explosive detection in aviation safety are always highly urgent. In this proposal, we designed a porous metal-organic framework material (MOF) containing organic dipole molecule as sensing material for trace explosive detection. Mach-Zehnder waveguide trace explosive sensor was fabricated, in which the sensitive MOF was used as the upper cladding material. When the waveguide sensor was exposed to explosive gas, the interaction between the electron-deficiency explosive gas and electron-rich dipole molecular in upper cladding layer changed the microscopic dipole moment and polarizability of dipole molecules. This change in molecular microscopic property changed the refractive index of sensitive upper cladding layer and in further modulated the phase of optical signal in core layer to realize the sensing of trace explosive in waveguide. Due to the high porosity, large surface area and ordered porous structure of MOF for the permeation and transmission of explosive gas in upper cladding layer, it contributed to the fast sensing with high sensitivity. Refractive index sensing in waveguide sensor was as sensitive as 10-7 magnitude and undisturbed to environment, which was prone to realize the explosive sensing in the magnitude of part per trillion. Meanwhile, this waveguide device was easy to integration and encapsulation, paving the way for the idea of Lab on Chip.

英文关键词: explosive gas sensor;metal-organic framework materials;porous materials;optical waveguide device;Mach-Zehnder interferometer

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