[发明专利]一种法诺共振光学氢气传感器及其制备方法和应用系统

说明书

本发明提供一种法诺共振光学氢气传感器，包括衬底、位于衬底表面的氧化层、以及位于氧化层表面的π型金属结构阵列，其中，π型金属结构阵列包括多个周期性分布的π型金属结构单元，π型金属结构单元包括：两根相互平行的第一金属纳米棒单元，与两根第一金属纳米棒单元垂直的第二金属纳米棒单元，其中，第一金属纳米棒单元包括第一贵金属层，所述第二金属纳米棒单元包括吸氢材料层。本发明还提供一种制备法诺共振光学氢气传感器的制备方法，以及一种法诺共振光学氢气传感器的应用系统。本发明能够实现对环境氢气浓度的高精度、高灵敏度的实时传感。

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种基于法诺共振的光学氢气传感器及其制备方法和应用系统。

背景技术

随着社会的发展以及全球气候变化，人类对清洁能源的需求越发迫切。氢气作为一种清洁的可再生能源，燃烧后的产物为水，且可通过电解、光解水等方式再生，被广泛地应用在石油冶炼、化肥生产、食物、燃料电池、化工、炼钢及航空航天等工业领域中。然而，氢气在常温常压条件下无色、无嗅、无味、高度易燃，且在空气中的爆炸极限为4.0％～75.6％，这使得氢气的存储和使用十分困难。为了在工业生产和能源获取的过程中尽可能安全地使用氢气，必须对氢气的浓度进行检测，同时需要灵敏度高、可靠性强、成本低、尺寸小、耐久性好的检测装置，例如氢气传感器。

传统的氢气传感器通常利用电学原理并基于电子学器件实现，例如通过测量电阻的变化来检测氢气的浓度。但是，由于电学测量元器件在测量过程中需要与氢气接触，无法实现远距离遥控测量，并且在测量过程中可能产生电火花，引起爆炸危险。与电学氢气传感器的浓度检测方法相比，光学氢气传感器的氢气浓度检测方法具有灵敏度高、响应快、不产生电火花、适用于易燃易爆物质等优点，并且可以灵活使用强度、波长(光谱)、相位、偏振、荧光寿命等多种测量标准。

现有技术中的光学氢气传感器大多是基于过渡金属钯的传感器。钯具有较高的氢气溶解性，最多可吸收达本身体积2800倍的氢气，并且可以在环境氢气分压低的情况下将吸收的绝大部分氢气放出。当钯暴露在氢气环境中时，会吸附和吸收氢气从而形成氢化钯，相应地，其电阻率、折射率、体积等材料参数均会发生变化。原理上通过监测上述材料参数的变化，可以实现对氢气的传感。但是，反映材料光学性质的折射率变化往往很小，不容易被测量得到，也不容易实现高灵敏度氢气检测。

近年来，研究人员提出了基于表面等离子体共振的光学氢气传感器。表面等离体子体共振是存在于金属与介质界面上的一种电子极化和振荡现象，可在纳米尺度上实现光与物质的相互作用。表面等离子体共振具有明显的几何可调谐性，当金属结构的尺寸为纳米、亚微米时，表面等离子体共振发生在可见光与近红外波段；当金属结构的尺寸为微米级时，表面等离子体共振发生在太赫兹波段；当金属结构的尺寸为毫米级时，表面等离子体共振发生在微波波段；结构的尺寸越大，对应的工作波长越长。

另外，当一个光谱宽度较窄的共振与一个光谱宽度较宽的共振有重叠时，会出现一种特殊的光谱线型，即法诺线型，呈现光谱上谱宽很窄的非对称结构，在基于光谱移动的高灵敏度传感方面有广泛应用。目前，半导体微纳加工技术成熟，可以方便地制备金属纳米结构。纳米材料的尺寸小、体表面积大，对外界环境的变化具有很快的响应速度和很高的灵敏度。但是目前基于表面等离子体共振的光学氢气传感器大多是通过化学方式合成，其探测灵敏度及精度还存在一定局限。

因此，在现有技术的基础上，需要提出一种新型的基于法诺共振的光学氢气传感器及其制备方法和应用系统，从而解决现有光学氢气传感器的测量精度不高的问题。

发明内容

本发明提供的法诺共振光学氢气传感器及其制备方法和应用系统，能够针对现有技术的不足，提供一种基于法诺共振的光学氢气传感器及其制备方法和应用系统，以解决现有技术条件下的光学氢气传感器的测量精度、灵敏度不高的问题。