[发明专利]单晶钯纳米线表面等离子体氢气传感器及其制备与使用

说明书

技术领域

本发明涉及氢气传感器，尤其是一种单晶钯纳米线表面等离子体氢气传感器及其制备与使用。

背景技术

光纤传感和探测在科研、工业、环境、医疗、军事以及食品、卫生等很多方面得到了广泛的应用和发展。随着纳米技术的快速发展，以及人们对传感器和探测器的性能和应用要求的不断提高，减小尺寸、提高集成度、加快响应速度、提高灵敏度、降低样品需求量、拓宽应用极限等已经成为目前发展的重要方向。将光纤技术与当前快速发展的纳米技术结合起来，发展尺寸更小、性能和集成度更高的纳米光纤传感器和探测器，具有十分广阔的应用潜力和发展前景。

氢气是很重要的工业气体和特种气体，在石油化工、电子工业、冶金工业、精细有机合成及航空航天等方面有着广泛的应用。但氢气是一种极易燃的气体，在空气中的体积分数为4%至75%时都能燃烧。此外，氢气无色无味，有很高的燃烧热。因此对氢气的检测是非常重要的。但对检测装置有一定的要求, 如低成本，小尺寸，耐久性，可靠性等。和电学检测方法相比，光学检测方法高灵敏，快响应，抗电磁，很适合检测易燃易爆物质，并可使用强度、波长（光谱）、相位、偏振、荧光寿命等多种手段。由于纳米材料的尺寸小和体表面积比较大，它们对外界环境的变化有着很快的响应和很高的灵敏度，被广泛地应用在各种物理、化学和生物传感和探测领域。

金属钯是对氢气有着较高的溶解性，在一定的温度和氢压力差条件下，只让氢气透过的材料。 金属钯吸收的氢最多可达本身体积的2800倍，在温度为 300℃以上真空中，可把吸收的氢放出。钯与氢的这种反应是可逆的。除氢气及其同位素之外，其它任何气体均不能透过钯膜，故金属钯还对氢气有着较高选择性。金属钯常被作为敏感材料用于氢气的光学传感检测中，其检测手段主要通过测量其光学信号如强度相位等的变化来检测氢气。目前基于光学手段研究钯纳米材料与氢反应体系的结构和器件，典型的有基于钯纳米颗粒的光直接透射型，基于二氧化硅纳米线和半导体纳米线的光学倏逝波型，及钯纳米颗粒的表面等离子体共振型。

表面等离体激元是存在于金属与介质界面上的一种电子极化和振荡现象。由于其能够将光场能量约束在远小于光波长的空间范围内和表面能量增强效应等特性，表面等离激元可在纳米尺度上实现光与物质相互作用。总的来说，目前典型的检测氢气的表面等离体激元传感器可分为两类：基于二维薄膜结构的传导表面等离子体激元型传感器和基于零维纳米颗粒结构的局域表面等离子体共振型传感器。而基于以为纳米线结构的传导表面等离子体氢气传感器则没有报道过。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单晶钯纳米线表面等离子体氢气传感器及其制备与使用。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

    一种单晶钯纳米线表面等离子体氢气传感器，第一拉锥微纳光纤通过第一倏逝波耦合区与单根单晶钯纳米线的一端相连，第二拉锥微纳光纤通过第二倏逝波耦合区与单根单晶钯纳米线的另一端相连，形成传输光信号变化的光学气体传感器。

    所述的第一拉锥微纳光纤和第二拉锥微纳光纤的尖端直径一致，为0.1?1 μm。

    所述的第一倏逝波耦合区、第二倏逝波耦合区的长度小于3 μm。

    所述的单根单晶钯纳米线直径为30?500 nm，长度为5?50 μm。

     一种所述的单晶钯纳米线表面等离子体氢气传感器的制备方法，步骤如下：

1)首先利用气相-液相-固相法制备法单根单晶钯纳米线； 

2) 然后在显微镜下对制备好的单根单晶钯纳米线进行切断和转移微操作，把单根单晶钯纳米线放置在衬底上，并通过微操作放置成需要的形状；然后放入一个密封容器里面；

3)用高温拉伸法拉制出尖端直径在0.1?1μm的第一拉锥微纳光纤和第二拉锥微纳光纤；

4)把上述两根拉锥微纳光纤伸入到密封容器里面，在光学显微镜下操纵第一拉锥微纳光纤，通过倏逝波耦合区把光输入到单根单晶钯纳米线的一端，激发单根单晶钯纳米线中的表面等离子体信号并使表面等离子体信号沿着单根单晶钯纳米线向另一端传输；用第二拉锥微纳光纤在单根单晶钯纳米线的另一端通过倏逝波耦合区把经过单根单晶钯纳米线传导的表面等离子体信号输出，以形成传输光信号变化的光学气体传感器。

    步骤1)中制备所述的单根单晶钯纳米线的步骤如下：