比色傳感器通過直觀地改變顏色來檢測環(huán)境變化，肉眼很容易看到，無需額外的設(shè)備。此外，它們以零功耗運行。這些傳感器無需任何額外設(shè)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(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用，在這些應(yīng)用中，最佳濕度對于質(zhì)量控制至關(guān)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(guān)性，快速響應(yīng)并保持長期穩(wěn)定性。通過結(jié)構(gòu)變化實現(xiàn)著色的傳感器通常比基于化學反應(yīng)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(jié)構(gòu)因其簡單性和多樣化的顏色產(chǎn)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(dǎo)致不同的顏色。但是，傳統(tǒng)設(shè)計仍然存在顏色表示受限和響應(yīng)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(lǐng)導(dǎo)的韓國研究團隊開發(fā)了一種創(chuàng)新的二維 （2D） 納米結(jié)構(gòu) Fano 諧振比色傳感器 （nFRCS）。

Lee 博士解釋說：“我們的設(shè)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(yīng)能力。研究結(jié)果發(fā)表在《光學》雜志上。

nFRCS 由銀-殼聚糖-銀的 MHM 結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變?yōu)?Fano 諧振器的關(guān)鍵補充，從而顯著改善了色彩表現(xiàn)。

此外，nFRCS 將 2D 納米空穴陣列 （NHA） 整合到 MHM 層中，為周圍環(huán)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(dǎo)致與濕度水平相關(guān)的顏色變化。

這些 NHA 還提高了傳感器的響應(yīng)能力，其有序模式促進了額外的光-物質(zhì)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(shù)使用類似沖壓的方法將納米級圖案轉(zhuǎn)移到 MHM 層上。與傳統(tǒng)昂貴的納米結(jié)構(gòu)制造技術(shù)相比，這種方法既節(jié)省了時間又節(jié)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(yōu)于以前的研究。此外，它表現(xiàn)出出色的響應(yīng)能力，響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別為 287 毫秒和 87 毫秒。

Lee 博士強調(diào)了傳感器的更廣泛應(yīng)用，他說：“除了濕度傳感之外，nFRCS 還可以用作健康監(jiān)測設(shè)備、智能顯示器和室內(nèi)材料，通過產(chǎn)生不同的色偏來對外部刺激做出反應(yīng)。這種設(shè)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(huán)境變化。

總體而言，這款創(chuàng)新傳感器標志著零功率實時環(huán)境監(jiān)測的重大飛躍。