[发明专利]一种基于钯-回音壁模式光学谐振腔的氢气传感器及其制备和应用有效

专利信息
申请号: 202110214271.7 申请日: 2021-02-26
公开(公告)号: CN113008841B 公开(公告)日: 2022-08-23
发明(设计)人: 梅永丰;杨硕;胥博瑞;黄高山 申请(专利权)人: 复旦大学
主分类号: G01N21/63 分类号: G01N21/63;G01N21/65;G01N21/25
代理公司: 上海科盛知识产权代理有限公司 31225 代理人: 刘燕武
地址: 200433 *** 国省代码: 上海;31
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 回音壁 模式 光学 谐振腔 氢气 传感器 及其 制备 应用
【说明书】:

发明涉及一种基于钯‑回音壁模式光学谐振腔的氢气传感器及其制备和应用,该氢气传感器的制备过程具体为:(1)制备WGM型管状光学谐振微腔;(2)将金属钯颗粒耦合在WGM型管状光学谐振微腔表面,即得到氢气传感器。与现有技术相比,本发明使用光学方法进行氢气传感,没有电流传输,更加安全且制备方法简单,灵敏度高,检测限低,在氢气传感领域有重要应用前景。

技术领域

本发明属于微纳器件技术领域,涉及一种基于钯-回音壁模式光学谐振腔的氢气传感器及其制备和应用。

背景技术

随着能源危机的加深,寻找可替代的绿色能源变得更加迫切。氢能是一种具有高能量密度,储量丰富且燃烧产物为水的绿色能源,具有很高的需求量。但由于氢气是易燃气体,在4%-75%的浓度范围内可爆炸,且氢气分子尺寸小,容易泄露和扩散。此外,氢气还是一种无色无味的气体,使得存储和运输变得更加困难和危险。因此,对于氢气浓度快速准确的监测至关重要。

目前氢气检测的研究主要有光学传感、电化学传感、电阻传感和机械传感。其中光学传感是由光信号进行氢气探测,因为在氢气环境中没有电火花或者被点燃的危险,并不受电磁场干扰,具有高安全性。现有基于金属钯的光学氢气传感装置一般使用几十纳米甚至几微米厚的金属钯作为传感层。一方面贵金属的使用量较大,增加了传感的成本;另一方面,较厚的金属钯薄膜在吸收和释放氢气的过程中体积的变化容易造成钯薄膜的断裂,降低氢气检测的重复性和稳定性。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种基于钯-回音壁模式光学谐振腔的氢气传感器及其制备和应用,使用光学方法进行氢气传感,没有电流传输,更加安全且制备方法简单,灵敏度高,检测限低,在氢气传感领域有重要应用前景。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:

本发明的技术方案之一提供了一种基于钯-回音壁模式光学谐振腔的氢气传感器,包括WGM型管状光学谐振微腔,以及分布在WGM型管状光学谐振微腔表面的金属钯颗粒。

进一步的,所述的WGM型管状光学谐振微腔的外径为10-20μm。

进一步的,所述的金属钯颗粒的粒径为10-100nm。

进一步的,所述的WGM型管状光学谐振微腔由从内到外依次复合的Y2O3薄膜与ZrO2薄膜组成。

更进一步的,所述的Y2O3薄膜与ZrO2薄膜的厚度分别独立的为10-100nm。

光波在管状结构微腔的管壁与环境交界处发生全反射,使得光波沿封闭环形发生全反射时,就形成了回音壁模式(whispering-gallery mode,WGM)光学谐振腔,只有特定波长的光波能够在管状结构中形成稳定的驻波。由于光能并没有完全被束缚在具备高折射系数的谐振腔管壁内,消逝场可穿过亚波长级厚的管壁,和界面附近的材料相互作用,导致光学谐振腔内的谐振模式峰位产生移动。利用这一特性,本发明在管状谐振腔表面耦合金属钯。金属钯作为一种氢气刺激响应材料,具有很强的氢气吸收能力,能够吸收相对于自身体积上百倍的氢气,被广泛应用于氢气传感。氢气分子在钯的表面会分解为氢原子,氢原子扩散到金属钯中,通过可逆反应形成钯和氢的络合物PdHx。管状光学谐振腔壁厚在亚微米级别,消逝场能够与管壁表面的钯颗粒相互作用,在氢气刺激下产生谐振峰位的偏移。本发明利用这一性质,基于金属钯-回音壁模式光学谐振腔进行氢气传感,结合智能材料领域和光学谐振腔领域,利用自卷曲技术制备出钯基管状谐振腔。利用不同氢气浓度刺激下谐振信号的变化进行灵敏度高、检测限低的氢气传感。

本发明的技术方案之二提供了一种基于钯-回音壁模式光学谐振腔的氢气传感器的制备方法,包括以下步骤:

(1)制备WGM型管状光学谐振微腔;

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