本發(fā)明涉及光學氫氣傳感器，尤其涉及一種基于超薄pd薄膜的高靈敏度氫氣傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、氫氣是一種清潔、可再生、高效的能源，被認為是未來能源的重要選擇之一。隨著環(huán)保意識的提高，氫能技術(shù)也得到了越來越廣泛的關(guān)注和研究。氫氣在氫能燃料電池、化工、能源儲存等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。傳統(tǒng)的氫氣傳感器通常采用催化劑、熱電等方法進行檢測，但這些方法存在靈敏度低、響應時間長、易受干擾等問題。因此，需要開發(fā)一種新型的氫氣傳感器，以提高靈敏度和準確性。

2、隨著氫氣技術(shù)的發(fā)展，氫氣傳感器也得到了越來越廣泛的應用和研究。再者，氫氣傳感器技術(shù)的提高，對滿足氫能技術(shù)在不同領(lǐng)域的需求，推動氫能技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用。目前，常用的氫氣傳感器有催化型氫氣傳感器、熱導型氫氣傳感器、光學型氫氣傳感器、電阻型氫氣傳感器等。對于這些電傳感器，他們工作環(huán)境受限，并且容易受到電磁干擾(emi)的影響，可能產(chǎn)生的火花而發(fā)生爆炸。光學氫氣傳感器具有固有的emi免疫力，同時還具備分布式和多路復用監(jiān)測的能力，使得在實際應用中具有更強的競爭力。

3、目前，大多數(shù)光學氫氣傳感器都采用pd基材料用于氫氣檢測。這是因為pd表現(xiàn)出出色的氫氣的專一選擇性，使其成為高靈敏度和強抗干擾性的氫氣檢測的理想選擇。已有研究采用了不同的結(jié)構(gòu)來構(gòu)建pd基光學傳感器，包括pd/au多層完美吸收體、pd納米片顆粒陣列、pd殼/au核納米晶、au/pd異質(zhì)二聚體和pd/au合金納米盤等。然而，大多數(shù)使用pd的氫氣傳感器通常需要增加pd薄膜的厚度以提高其靈敏度。但是，當pd薄膜的厚度大于20nm時，較厚的薄膜會在形成氫化物時發(fā)生機械形變，容易導致傳感器使用的過程中pd薄膜脫落，使傳感器失效。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種基于超薄pd薄膜的高靈敏度氫氣傳感器及其制備方法，以在常溫下能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度和高穩(wěn)定性的氫氣檢測，并且可以完全避免工作中產(chǎn)生的電磁干擾。同時，本發(fā)明制備方法簡單易行，可大規(guī)模生產(chǎn)，從而有效降低了制備成本。

2、基于上述目的，本發(fā)明提供了一種基于超薄pd薄膜的高靈敏度氫氣傳感器，包括基底、設于基底上的鈀金屬薄膜層、設于鈀金屬薄膜層上的雙曲超材料層和設于雙曲超材料層上的棱鏡，所述雙曲超材料層為銀薄膜層和氧化鈦薄膜層交替排列形成。

3、所述鈀金屬薄膜層的厚度為7-14nm。

4、所述氧化鈦薄膜層的厚度為12-22nm，銀薄膜層的厚度為10-17nm。

5、所述氧化鈦薄膜層的厚度為13nm，銀薄膜層的厚度為17nm。

6、所述棱鏡的折射率為2-2.6。

7、所述棱鏡的折射率為2.3。

8、所述雙曲超材料材料層中銀薄膜層和氧化鈦薄膜層分別有五層，且先沉積一層銀薄膜層于鈀金屬薄膜層上，之后氧化鈦薄膜和銀薄膜交替排列。

9、所述基于超薄pd薄膜的高靈敏度氫氣傳感器的制備方法，包括如下步驟：

10、步驟一、在基底上沉積制備鈀金屬薄膜層；

11、步驟二、在步驟一制備的鈀金屬薄膜層表面，沉積制備一層銀薄膜；

12、步驟三、在步驟二制備的銀薄膜表面，沉積制備一層氧化鈦薄膜；

13、步驟四、在步驟三的氧化鈦薄膜上，交替沉積制備一層銀薄膜和氧化鈦薄膜并重復該步驟四次，以形成雙曲超材料層；

14、步驟五、利用掩膜光刻技術(shù)在雙曲超材料層上制備棱鏡；利用光學微粒膠將所制備的棱鏡粘接在步驟四所制備的雙曲超材料的頂部。

15、需要說明的是，銀、氧化鈦和鈀材料均可使用磁控濺射和電子束蒸發(fā)制備，為了方便統(tǒng)一制備，整個過程即都采用磁控濺射的方法制備。

16、本發(fā)明的有益效果：

17、(1)本發(fā)明提出的光學氫氣傳感的器件在可見光波段的靈敏度可達到2300，具有很好的氫氣探測強度，并且用鈀金屬對氫氣進行感應使該傳感器有很好的氫氣選擇性，空氣中其他氣體的影響很小。

18、(2)本發(fā)明使用pd基用于氫氣探測，實現(xiàn)了超薄pd薄膜的同時保證了傳感器的高靈敏度，減小了傳感器使用過程中pd基脫落的風險，并且有望進一步縮短響應時間。

19、(3)本發(fā)明提供的用于光學氫氣傳感的器件，結(jié)構(gòu)簡單，并且每一層的厚度都具有一定的魯棒性，容易實現(xiàn)大規(guī)模制備。

技術(shù)特征：

1.一種基于超薄pd薄膜的高靈敏度氫氣傳感器，其特征在于，包括基底、設于基底上的鈀金屬薄膜層、設于鈀金屬薄膜層上的雙曲超材料層和設于雙曲超材料層上的棱鏡，所述雙曲超材料層為銀薄膜層和氧化鈦薄膜層交替排列形成。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超薄pd薄膜的高靈敏度氫氣傳感器，其特征在于，所述鈀金屬薄膜層的厚度為7-14nm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超薄pd薄膜的高靈敏度氫氣傳感器，其特征在于，所述氧化鈦薄膜層的厚度為12-22nm，銀薄膜層的厚度為10-17nm。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于超薄pd薄膜的高靈敏度氫氣傳感器，其特征在于，所述氧化鈦薄膜層的厚度為13nm，銀薄膜層的厚度為17nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超薄pd薄膜的高靈敏度氫氣傳感器，其特征在于，所述棱鏡的折射率為2-2.6。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于超薄pd薄膜的高靈敏度氫氣傳感器，其特征在于，所述棱鏡的折射率為2.3。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于超薄pd薄膜的高靈敏度氫氣傳感器，其特征在于，所述雙曲超材料材料層中銀薄膜層和氧化鈦薄膜層分別有五層，且先沉積一層銀薄膜層于鈀金屬薄膜層上，之后氧化鈦薄膜和銀薄膜交替排列。

8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項所述基于超薄pd薄膜的高靈敏度氫氣傳感器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及光學氫氣傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于超薄Pd薄膜的高靈敏度氫氣傳感器及其制備方法，包括基底、設于基底上的鈀金屬薄膜層、設于鈀金屬薄膜層上的雙曲超材料層和設于雙曲超材料層上的棱鏡，所述雙曲超材料層為銀薄膜層和氧化鈦薄膜層交替排列形成。本發(fā)明公開的用于氫氣傳感的器件，基于超薄Pd薄膜仍達實現(xiàn)高達2300的靈敏度。與此同時，該器件制備方法比較簡單，容易大面積制備應用，具有良好的商業(yè)前景。因此，本發(fā)明提供的高靈敏度光學氫氣傳感器及其制備方法是一種較為適用于商用的氫氣傳感器方案。

技術(shù)研發(fā)人員：吳小虎,吳必園
受保護的技術(shù)使用者：山東高等技術(shù)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14