用于实时监控的快速响应比色传感器扩大了色域

比色传感器通过直观的颜色变化来检测环境变化，肉眼可以轻松看到，无需额外设备。此外，它们运行时的功耗为零。通过明显改变颜色，无需任何额外设备，这些传感器有可能在食品包装和古代文物保存等应用中发挥关键作用，在这些应用中，最佳湿度对于质量控制至关重要。

为了实现准确的湿度检测，比色传感器必须覆盖广泛的颜色，颜色与湿度之间具有线性相关性，响应速度快，并保持长期稳定性。通过结构变化实现着色的传感器通常比基于化学反应的传感器更具优势。

其中，利用法布里-珀罗共振的金属-水凝胶-金属 (MHM) 结构因其简单性和多样化的颜色生成而脱颖而出，因为水凝胶腔体厚度的变化(通常使用壳聚糖等膨胀材料)会导致不同的颜色。然而，传统设计仍然存在颜色表现有限和响应速度慢的问题。

为了解决这些问题，由釜山国立大学电气电子工程学院副教授 Gil Ju Lee 领导的韩国研究团队开发了一种创新的二维(2D)纳米结构法诺共振比色传感器(nFR)。

李博士解释说：“我们的设计引入了利用法诺共振和等离子体共振的纳米孔阵列，通过控制反射光谱从减色到加色，显著增强了色域。此外，这些纳米孔通道还提高了响应能力。”该研究结果发表在《Optica》杂志上。

nFR 由银-壳聚糖-银的 MHM 结构组成，上层较薄，底层较厚。MHM 还具有薄而多孔的锗 (Pr-Ge) 涂层。此涂层是将 MHM 从法布里-珀罗谐振器转换为法诺谐振器的关键附加物，可显著改善色彩表现。

此外，nFR 将 2D 纳米孔阵列 (NHA) 整合到 MHM 层中，为周围环境中的水蒸气到达壳聚糖层并与之相互作用建立了一条直接路径。由于壳聚糖的亲水性，在高湿度条件下，壳聚糖会吸收水分子，导致其膨胀，而在干燥条件下，壳聚糖会释放水分子，使其体积缩小，从而导致湿度水平相关的颜色变化。

这些 NHA 还提高了传感器的响应能力，其有序的模式促进了额外的光物质相互作用，例如表面等离子体共振(SPP) 和局部表面等离子体共振 (LSPR)，从而进一步提高了性能。

研究人员使用卷对板纳米压印光刻技术 (NIL) 制造了 nFR 传感器，该技术使用类似冲压的方法将纳米级图案转移到 MHM 层上。与传统的昂贵纳米结构制造技术相比，这种方法既节省时间又节省成本。

在实验中，制造的 nFR 显示出宽色域，超过了标准 RGB(sRGB)，显示出 141% 的 sRGB 覆盖率和 105% 的 Adob​​e RGB 覆盖率，优于以前的研究。此外，它还表现出出色的响应能力，响应和恢复时间分别为 287 毫秒和 87 毫秒。

Lee 博士强调了该传感器的更广泛应用，他说：“除了湿度传感之外，nFR 还可以用作健康监测设备、智能显示器和室内材料，通过产生不同的颜色变化对外部刺激做出反应。这种设计可以作为其他类型的比色传感器的框架，用于检测除湿度以外的不同环境变化。”

总体而言，这款创新的传感器标志着零功率实时环境监测的重大飞跃。