Abstract

A miniature fiber-tip pressure sensor was built by using an extremely thin graphene film as the diaphragm. The graphene also acts as a light reflector, which, in conjunction with the reflection at the fiber end–air interface, forms a low finesse Fabry–Perot interferometer. The graphene based sensor demonstrated pressure sensitivity over 39.4nm/kPa with a diaphragm diameter of 25 μm. The use of graphene as diaphragm material would allow highly sensitive and compact fiber-tip sensors.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. Y. Zhu, K. L. Cooper, G. R. Pickrell, and A. Wang, J. Lightwave Technol. 24, 861 (2006).
    [CrossRef]
  2. D. Donlagic and E. Cibula, Opt. Lett. 30, 2071 (2005).
    [CrossRef]
  3. W. Wang, N. Wu, Y. Tian, C. Niezrecki, and X. Wang, Opt. Express 18, 9006 (2010).
    [CrossRef]
  4. F. Xu, D. Ren, X. Shi, C. Li, W. Lu, L. Lu, L. Lu, and B. Yu, Opt. Lett. 37, 133 (2012).
    [CrossRef]
  5. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Gregorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
    [CrossRef]
  6. C. Lee, X. Wei, J. W. Kysar, and J. Hone, Science 321, 385 (2008).
    [CrossRef]
  7. Q. Bao, H. Zhang, Y. Wang, Z. Ni, Y. Yan, Z. X. Shen, K. P. Loh, and D. Y. Tang, Adv. Funct. Mater. 19, 3077 (2009).
    [CrossRef]
  8. S. P. Koenig, N. G. Boddeti, M. L. Dunn, and J. S. Bunch, Nat. Nanotech. 6, 543 (2011).
    [CrossRef]
  9. J. Ma, J. Ju, L. Jin, and W. Jin, IEEE Photon. Technol. Lett. 23, 1561 (2011).
    [CrossRef]
  10. H. S. Skulason, P. E. Gaskell, and T. Szkopek, Nanotechnology 21, 295709 (2010).
    [CrossRef]
  11. F. J. Nelson, V. K. Kamineni, T. Zhang, E. S. Comfort, J. U. Lee, and A. C. Diebold, Appl. Phys. Lett. 97, 253110 (2010).
    [CrossRef]
  12. M. D. Giovanni, Flat and Corrugated Diaphragm Design Handbook (Marcel Dekker, 1982).
  13. C. Lee, X. Wei, Q. Li, R. Carpick, J. W. Kysar, and J. Hone, Phys. Stat. Sol. B 246, 2562 (2009).
    [CrossRef]
  14. J. S. Bunch, S. S. Verbridge, J. S. Alden, A. M. van der Zande, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Nano Lett. 8, 2458 (2008).
    [CrossRef]
  15. J. S. Bunch, A. M. van der Zande, S. S. Verbridge, I. W. Frank, D. M. Tanenbaum, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Science 315, 490 (2007).
    [CrossRef]

2012

2011

S. P. Koenig, N. G. Boddeti, M. L. Dunn, and J. S. Bunch, Nat. Nanotech. 6, 543 (2011).
[CrossRef]

J. Ma, J. Ju, L. Jin, and W. Jin, IEEE Photon. Technol. Lett. 23, 1561 (2011).
[CrossRef]

2010

H. S. Skulason, P. E. Gaskell, and T. Szkopek, Nanotechnology 21, 295709 (2010).
[CrossRef]

F. J. Nelson, V. K. Kamineni, T. Zhang, E. S. Comfort, J. U. Lee, and A. C. Diebold, Appl. Phys. Lett. 97, 253110 (2010).
[CrossRef]

W. Wang, N. Wu, Y. Tian, C. Niezrecki, and X. Wang, Opt. Express 18, 9006 (2010).
[CrossRef]

2009

Q. Bao, H. Zhang, Y. Wang, Z. Ni, Y. Yan, Z. X. Shen, K. P. Loh, and D. Y. Tang, Adv. Funct. Mater. 19, 3077 (2009).
[CrossRef]

C. Lee, X. Wei, Q. Li, R. Carpick, J. W. Kysar, and J. Hone, Phys. Stat. Sol. B 246, 2562 (2009).
[CrossRef]

2008

J. S. Bunch, S. S. Verbridge, J. S. Alden, A. M. van der Zande, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Nano Lett. 8, 2458 (2008).
[CrossRef]

C. Lee, X. Wei, J. W. Kysar, and J. Hone, Science 321, 385 (2008).
[CrossRef]

2007

J. S. Bunch, A. M. van der Zande, S. S. Verbridge, I. W. Frank, D. M. Tanenbaum, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Science 315, 490 (2007).
[CrossRef]

2006

2005

2004

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Gregorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Alden, J. S.

J. S. Bunch, S. S. Verbridge, J. S. Alden, A. M. van der Zande, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Nano Lett. 8, 2458 (2008).
[CrossRef]

Bao, Q.

Q. Bao, H. Zhang, Y. Wang, Z. Ni, Y. Yan, Z. X. Shen, K. P. Loh, and D. Y. Tang, Adv. Funct. Mater. 19, 3077 (2009).
[CrossRef]

Boddeti, N. G.

S. P. Koenig, N. G. Boddeti, M. L. Dunn, and J. S. Bunch, Nat. Nanotech. 6, 543 (2011).
[CrossRef]

Bunch, J. S.

S. P. Koenig, N. G. Boddeti, M. L. Dunn, and J. S. Bunch, Nat. Nanotech. 6, 543 (2011).
[CrossRef]

J. S. Bunch, S. S. Verbridge, J. S. Alden, A. M. van der Zande, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Nano Lett. 8, 2458 (2008).
[CrossRef]

J. S. Bunch, A. M. van der Zande, S. S. Verbridge, I. W. Frank, D. M. Tanenbaum, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Science 315, 490 (2007).
[CrossRef]

Carpick, R.

C. Lee, X. Wei, Q. Li, R. Carpick, J. W. Kysar, and J. Hone, Phys. Stat. Sol. B 246, 2562 (2009).
[CrossRef]

Cibula, E.

Comfort, E. S.

F. J. Nelson, V. K. Kamineni, T. Zhang, E. S. Comfort, J. U. Lee, and A. C. Diebold, Appl. Phys. Lett. 97, 253110 (2010).
[CrossRef]

Cooper, K. L.

Craighead, H. G.

J. S. Bunch, S. S. Verbridge, J. S. Alden, A. M. van der Zande, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Nano Lett. 8, 2458 (2008).
[CrossRef]

J. S. Bunch, A. M. van der Zande, S. S. Verbridge, I. W. Frank, D. M. Tanenbaum, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Science 315, 490 (2007).
[CrossRef]

Diebold, A. C.

F. J. Nelson, V. K. Kamineni, T. Zhang, E. S. Comfort, J. U. Lee, and A. C. Diebold, Appl. Phys. Lett. 97, 253110 (2010).
[CrossRef]

Donlagic, D.

Dubonos, S. V.

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Gregorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Dunn, M. L.

S. P. Koenig, N. G. Boddeti, M. L. Dunn, and J. S. Bunch, Nat. Nanotech. 6, 543 (2011).
[CrossRef]

Firsov, A. A.

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Gregorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Frank, I. W.

J. S. Bunch, A. M. van der Zande, S. S. Verbridge, I. W. Frank, D. M. Tanenbaum, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Science 315, 490 (2007).
[CrossRef]

Gaskell, P. E.

H. S. Skulason, P. E. Gaskell, and T. Szkopek, Nanotechnology 21, 295709 (2010).
[CrossRef]

Geim, A. K.

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Gregorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Giovanni, M. D.

M. D. Giovanni, Flat and Corrugated Diaphragm Design Handbook (Marcel Dekker, 1982).

Gregorieva, I. V.

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Gregorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Hone, J.

C. Lee, X. Wei, Q. Li, R. Carpick, J. W. Kysar, and J. Hone, Phys. Stat. Sol. B 246, 2562 (2009).
[CrossRef]

C. Lee, X. Wei, J. W. Kysar, and J. Hone, Science 321, 385 (2008).
[CrossRef]

Jiang, D.

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Gregorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Jin, L.

J. Ma, J. Ju, L. Jin, and W. Jin, IEEE Photon. Technol. Lett. 23, 1561 (2011).
[CrossRef]

Jin, W.

J. Ma, J. Ju, L. Jin, and W. Jin, IEEE Photon. Technol. Lett. 23, 1561 (2011).
[CrossRef]

Ju, J.

J. Ma, J. Ju, L. Jin, and W. Jin, IEEE Photon. Technol. Lett. 23, 1561 (2011).
[CrossRef]

Kamineni, V. K.

F. J. Nelson, V. K. Kamineni, T. Zhang, E. S. Comfort, J. U. Lee, and A. C. Diebold, Appl. Phys. Lett. 97, 253110 (2010).
[CrossRef]

Koenig, S. P.

S. P. Koenig, N. G. Boddeti, M. L. Dunn, and J. S. Bunch, Nat. Nanotech. 6, 543 (2011).
[CrossRef]

Kysar, J. W.

C. Lee, X. Wei, Q. Li, R. Carpick, J. W. Kysar, and J. Hone, Phys. Stat. Sol. B 246, 2562 (2009).
[CrossRef]

C. Lee, X. Wei, J. W. Kysar, and J. Hone, Science 321, 385 (2008).
[CrossRef]

Lee, C.

C. Lee, X. Wei, Q. Li, R. Carpick, J. W. Kysar, and J. Hone, Phys. Stat. Sol. B 246, 2562 (2009).
[CrossRef]

C. Lee, X. Wei, J. W. Kysar, and J. Hone, Science 321, 385 (2008).
[CrossRef]

Lee, J. U.

F. J. Nelson, V. K. Kamineni, T. Zhang, E. S. Comfort, J. U. Lee, and A. C. Diebold, Appl. Phys. Lett. 97, 253110 (2010).
[CrossRef]

Li, C.

Li, Q.

C. Lee, X. Wei, Q. Li, R. Carpick, J. W. Kysar, and J. Hone, Phys. Stat. Sol. B 246, 2562 (2009).
[CrossRef]

Loh, K. P.

Q. Bao, H. Zhang, Y. Wang, Z. Ni, Y. Yan, Z. X. Shen, K. P. Loh, and D. Y. Tang, Adv. Funct. Mater. 19, 3077 (2009).
[CrossRef]

Lu, L.

Lu, W.

Ma, J.

J. Ma, J. Ju, L. Jin, and W. Jin, IEEE Photon. Technol. Lett. 23, 1561 (2011).
[CrossRef]

McEuen, P. L.

J. S. Bunch, S. S. Verbridge, J. S. Alden, A. M. van der Zande, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Nano Lett. 8, 2458 (2008).
[CrossRef]

J. S. Bunch, A. M. van der Zande, S. S. Verbridge, I. W. Frank, D. M. Tanenbaum, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Science 315, 490 (2007).
[CrossRef]

Morozov, S. V.

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Gregorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Nelson, F. J.

F. J. Nelson, V. K. Kamineni, T. Zhang, E. S. Comfort, J. U. Lee, and A. C. Diebold, Appl. Phys. Lett. 97, 253110 (2010).
[CrossRef]

Ni, Z.

Q. Bao, H. Zhang, Y. Wang, Z. Ni, Y. Yan, Z. X. Shen, K. P. Loh, and D. Y. Tang, Adv. Funct. Mater. 19, 3077 (2009).
[CrossRef]

Niezrecki, C.

Novoselov, K. S.

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Gregorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Parpia, J. M.

J. S. Bunch, S. S. Verbridge, J. S. Alden, A. M. van der Zande, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Nano Lett. 8, 2458 (2008).
[CrossRef]

J. S. Bunch, A. M. van der Zande, S. S. Verbridge, I. W. Frank, D. M. Tanenbaum, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Science 315, 490 (2007).
[CrossRef]

Pickrell, G. R.

Ren, D.

Shen, Z. X.

Q. Bao, H. Zhang, Y. Wang, Z. Ni, Y. Yan, Z. X. Shen, K. P. Loh, and D. Y. Tang, Adv. Funct. Mater. 19, 3077 (2009).
[CrossRef]

Shi, X.

Skulason, H. S.

H. S. Skulason, P. E. Gaskell, and T. Szkopek, Nanotechnology 21, 295709 (2010).
[CrossRef]

Szkopek, T.

H. S. Skulason, P. E. Gaskell, and T. Szkopek, Nanotechnology 21, 295709 (2010).
[CrossRef]

Tanenbaum, D. M.

J. S. Bunch, A. M. van der Zande, S. S. Verbridge, I. W. Frank, D. M. Tanenbaum, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Science 315, 490 (2007).
[CrossRef]

Tang, D. Y.

Q. Bao, H. Zhang, Y. Wang, Z. Ni, Y. Yan, Z. X. Shen, K. P. Loh, and D. Y. Tang, Adv. Funct. Mater. 19, 3077 (2009).
[CrossRef]

Tian, Y.

van der Zande, A. M.

J. S. Bunch, S. S. Verbridge, J. S. Alden, A. M. van der Zande, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Nano Lett. 8, 2458 (2008).
[CrossRef]

J. S. Bunch, A. M. van der Zande, S. S. Verbridge, I. W. Frank, D. M. Tanenbaum, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Science 315, 490 (2007).
[CrossRef]

Verbridge, S. S.

J. S. Bunch, S. S. Verbridge, J. S. Alden, A. M. van der Zande, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Nano Lett. 8, 2458 (2008).
[CrossRef]

J. S. Bunch, A. M. van der Zande, S. S. Verbridge, I. W. Frank, D. M. Tanenbaum, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Science 315, 490 (2007).
[CrossRef]

Wang, A.

Wang, W.

Wang, X.

Wang, Y.

Q. Bao, H. Zhang, Y. Wang, Z. Ni, Y. Yan, Z. X. Shen, K. P. Loh, and D. Y. Tang, Adv. Funct. Mater. 19, 3077 (2009).
[CrossRef]

Wei, X.

C. Lee, X. Wei, Q. Li, R. Carpick, J. W. Kysar, and J. Hone, Phys. Stat. Sol. B 246, 2562 (2009).
[CrossRef]

C. Lee, X. Wei, J. W. Kysar, and J. Hone, Science 321, 385 (2008).
[CrossRef]

Wu, N.

Xu, F.

Yan, Y.

Q. Bao, H. Zhang, Y. Wang, Z. Ni, Y. Yan, Z. X. Shen, K. P. Loh, and D. Y. Tang, Adv. Funct. Mater. 19, 3077 (2009).
[CrossRef]

Yu, B.

Zhang, H.

Q. Bao, H. Zhang, Y. Wang, Z. Ni, Y. Yan, Z. X. Shen, K. P. Loh, and D. Y. Tang, Adv. Funct. Mater. 19, 3077 (2009).
[CrossRef]

Zhang, T.

F. J. Nelson, V. K. Kamineni, T. Zhang, E. S. Comfort, J. U. Lee, and A. C. Diebold, Appl. Phys. Lett. 97, 253110 (2010).
[CrossRef]

Zhang, Y.

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Gregorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

Zhu, Y.

Adv. Funct. Mater.

Q. Bao, H. Zhang, Y. Wang, Z. Ni, Y. Yan, Z. X. Shen, K. P. Loh, and D. Y. Tang, Adv. Funct. Mater. 19, 3077 (2009).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett.

F. J. Nelson, V. K. Kamineni, T. Zhang, E. S. Comfort, J. U. Lee, and A. C. Diebold, Appl. Phys. Lett. 97, 253110 (2010).
[CrossRef]

IEEE Photon. Technol. Lett.

J. Ma, J. Ju, L. Jin, and W. Jin, IEEE Photon. Technol. Lett. 23, 1561 (2011).
[CrossRef]

J. Lightwave Technol.

Nano Lett.

J. S. Bunch, S. S. Verbridge, J. S. Alden, A. M. van der Zande, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Nano Lett. 8, 2458 (2008).
[CrossRef]

Nanotechnology

H. S. Skulason, P. E. Gaskell, and T. Szkopek, Nanotechnology 21, 295709 (2010).
[CrossRef]

Nat. Nanotech.

S. P. Koenig, N. G. Boddeti, M. L. Dunn, and J. S. Bunch, Nat. Nanotech. 6, 543 (2011).
[CrossRef]

Opt. Express

Opt. Lett.

Phys. Stat. Sol. B

C. Lee, X. Wei, Q. Li, R. Carpick, J. W. Kysar, and J. Hone, Phys. Stat. Sol. B 246, 2562 (2009).
[CrossRef]

Science

J. S. Bunch, A. M. van der Zande, S. S. Verbridge, I. W. Frank, D. M. Tanenbaum, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Science 315, 490 (2007).
[CrossRef]

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Gregorieva, and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
[CrossRef]

C. Lee, X. Wei, J. W. Kysar, and J. Hone, Science 321, 385 (2008).
[CrossRef]

Other

M. D. Giovanni, Flat and Corrugated Diaphragm Design Handbook (Marcel Dekker, 1982).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (5)

Fig. 1.
Fig. 1.

Microscope images of (a) fiber–capillary tip, (b) cross section of the tip endface, (c) the graphene film-covered fiber–capillary tip.

Fig. 2.
Fig. 2.

Fabrication process of the fiber-tip microcavity with a graphene diaphragm. (a) Etching off the Ni layer by immersing the sample into a FeCl3 solution; (b) transferring the graphene film floating on the water surface to the surface of the fiber-tip open cavity, (c) schematic showing the graphene film covering the fiber-tip microcavity; photographs of (d) graphene/Ni/SiO2/Si sample floating on FeCl3 solution, (e) graphene film floating on DI water, (f) graphene film on the surface of the ferrule–fiber-tip microcavity assembly.

Fig. 3.
Fig. 3.

(a) Measured reflection spectrum of the FPI, (b) calculated reflectance as a function of the number of graphene layers. The complex refractive index used in the calculation is 3.45j2.32 for graphene at 1550 nm [11].

Fig. 4.
Fig. 4.

(a) Pressure response of the fiber-tip micro-cavity sensor, (b) cavity length change versus time for an initially applied pressure of 13kPa.

Fig. 5.
Fig. 5.

Fitted initial surface pre-stress and graphene film thickness from the measured pressure response of several fiber-tip microcavity sensors.

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

P=2Et(1v)a4δ3+4σ0ta2δ

Metrics