MXene Supported Surface Plasmon Polaritons for Optical Microfiber Ammonia Sensing

化学 超细纤维 光学传感 表面等离子体激元 表面等离子体子 等离子体子 极化子 纳米技术 表面等离子共振 光电子学 光学 纳米颗粒 有机化学 物理 材料科学
作者
Hui Li,Kai Yang,Haibo Hu,Chengbing Qin,Benli Yu,Sheng Zhou,Tongtong Jiang,Derek Ho
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:96 (29): 11823-11831 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.4c01484
摘要

The properties of surface plasmons are notoriously dependent on the supporting materials system. However, new capabilities cannot be obtained until the technique of surface plasmon enabled by advanced two-dimensional materials is well understood. Herein, we present the experimental demonstration of surface plasmon polaritons (SPPs) supported by single-layered MXene flakes (Ti 3 C 2 T x ) coating on an optical microfiber and its application as an ammonia gas sensor. Enabled by its high controllability of chemical composition, unique atomistically thin layered structure, and metallic-level conductivity, MXene is capable of supporting not only plasmon resonances across a wide range of wavelengths but also a selective sensing mechanism through frequency modulation. Theoretical modeling and optics experiments reveal that, upon adsorbing ammonia molecules, the free electron motion at the interface between the SiO 2 microfiber and the MXene coating is modulated (i.e., the modulation of the SPPs under applied light), thus inducing a variation in the evanescent field. Consequently, a wavelength shift is produced, effectively realizing a selective and highly sensitive ammonia sensor with a 100 ppm detection limit. The MXene supported SPPs open a promising path for the application of advanced optical techniques toward gas and chemical analysis.
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