CN103308488A - 单晶钯纳米线表面等离子体氢气传感器及其制备与使用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了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。用一根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。用另一根拉锥微纳光纤在单根单晶钯纳米线的另一端也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氢气传感器。利用气相-液相-固相法制备法单根单晶钯纳米线。用高温拉伸法拉制出尖端直径在0.1-1μm的拉锥微纳光纤。本发明具有小型化，结构简单，灵敏度高和价格低廉的特点。目前可以检测0.5%-6%的氢气，灵敏度比传统光学氢气传感器高1～2个数量级。

Description

单晶钯纳米线表面等离子体氢气传感器及其制备与使用

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：

在管式高温炉的石英管内，先将盛有钯粉的石英舟放置在管式高温炉中间的高温区，再将单晶蓝宝石片放置在管式高温炉的降温区；石英管两端密封；然后通氩气除去石英管中的氧气，氩气气流为200-900 ml/min；同时打开真空泵抽真空保持石英管内的压强为200-1000 Pa；然后以40℃每分钟的速度升温到1200-1300℃，钯蒸气在单晶蓝宝石片上生长出单晶钯纳米线。

一种所述的单晶钯纳米线表面等离子体氢气传感器的使用方法，其特征在于，步骤如下：

1）把光输入到第一拉锥微纳光纤，激发单根单晶钯纳米线的表面等离子体信号输出；

2）当待检测的氢气分子接触单根单晶钯纳米线时，渗透进单根单晶钯纳米线里面，引起单根单晶钯纳米线的折射率和吸收带的变化，进而影响通过单根单晶钯纳米线纳米线的表面等离子体信号的强度变化；

3）上述表面等离子体信号的强度变化通过第二拉锥微纳光纤被探测器检测。

步骤1）所述的光为激光，波长为1100-2000纳米。

本发明具有的有益效果是：

本发明的单根单晶钯纳米线的氢气传感器是一种表面等离子体传感器，具有小型化，结构简单，灵敏度高和价格低廉的特点。目前可以检测0.5%−6%的氢气，灵敏度比传统光学传感器高1～2个数量级。其制备方法经济可靠，使用方便。

附图说明

图1是单根单晶钯纳米线的氢气传感器的结构原理示意图。

图2是80 nm直径长度15 μm的单根单晶钯纳米线在不同浓度氢气中的光的透过率变化图。检测光波长为1530 nm。

图中：第一拉锥微纳光纤1、第一倏逝波耦合区2、第二倏逝波耦合区3、单根单晶钯纳米线4、第二拉锥微纳光纤5。

具体实施方式

如图1所示，一种基于单根单晶钯纳米线的表面等离子体氢气传感器，第一拉锥微纳光纤1通过第一倏逝波耦合区2与单根单晶钯纳米线4的一端相连，第二拉锥微纳光纤5通过第二倏逝波耦合区3与单根单晶钯纳米线4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1和第二拉锥微纳光纤5的尖端直径一致，为0.1−1 μm。

所述的第一倏逝波耦合区2、第二倏逝波耦合区3的长度小于3 μm。

所述的单根单晶钯纳米线4直径为30−500 nm，长度为5−50 μm。

制备过程如下：

1)首先利用气相-液相-固相法制备法单根单晶钯纳米线；在管式高温炉的石英管内，先将盛有钯粉的石英舟放置在管式高温炉中间的高温区，再将单晶蓝宝石片放置在管式高温炉的降温区；石英管两端密封；然后通氩气除去石英管中的氧气，氩气气流为200-900 ml/min；同时打开真空泵抽真空保持石英管内的压强为200-1000 Pa；然后以40℃每分钟的速度升温到1200-1300℃，钯蒸气在单晶蓝宝石片上生长出单晶钯纳米线。

2) 然后在显微镜下对制备好的单根单晶钯纳米线4进行切断和转移微操作，把单根单晶钯纳米线4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1和第二拉锥微纳光纤5；

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1，通过倏逝波耦合区2把光输入到单根单晶钯纳米线4的一端，激发单根单晶钯纳米线4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4向另一端传输；用第二拉锥微纳光纤5在单根单晶钯纳米线4的另一端通过倏逝波耦合区3把经过单根单晶钯纳米线4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。

实施例

使用普通单模光纤高温拉伸法制备出尖端约100 nm的微光纤，利用气相-液相-固相法制备出一根直径80 nm长度15 μm的单晶钯纳米线。在光学显微镜下用一根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。用另一根拉锥微纳光纤在单根单晶钯纳米线的另一端也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。图1是本发明的结构原理示意图；图2是该纳米线在氢气浓度从0.5％−6％之间变化的光透过率响应图。检测光波长为1530 nm。

当待检测的氢气分子接触单根单晶钯纳米线时，会渗透进单根单晶钯纳米线里面，引起单根单晶钯纳米线的折射率和吸收带的变化，进而影响通过纳米线的光的强度变化。所以通过检测输出光强就可以检测待检测的氢气浓度。可以看到当氢气浓度从0.5%开始增加时，光透过率逐渐减小。当增加氢气浓度从2.5%增加到4%的过程中，光透过率迅速减少20 dB（99%）；从氢气浓度从4%增大到6%的过程中，光透过率逐渐缓慢升高，最后趋于稳定。从氢气浓度从0.5%到6%整个过程中的光信号变化约为30dB，而传统光学氢气传感器的光信号变化率不超过3dB。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种单晶钯纳米线表面等离子体氢气传感器，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的单晶钯纳米线表面等离子体氢气传感器，其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的单晶钯纳米线表面等离子体氢气传感器，其特征在于：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。

4.根据权利要求1所述的单晶钯纳米线表面等离子体氢气传感器，其特征在于：所述的单根单晶钯纳米线直径为30−500 nm，长度为5−50 μm。

5.一种根据权利要求1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，其特征在于，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。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中制备所述的单根单晶钯纳米线的步骤如下：

在管式高温炉的石英管内，先将盛有钯粉的石英舟放置在管式高温炉中间的高温区，再将单晶蓝宝石片放置在管式高温炉的降温区；石英管两端密封；然后通氩气除去石英管中的氧气，氩气气流为200-900 ml/min；同时打开真空泵抽真空保持石英管内的压强为200-1000 Pa；然后以40℃每分钟的速度升温到1200-1300℃，钯蒸气在单晶蓝宝石片上生长出单晶钯纳米线。

7.一种根据权利要求1所述的单晶钯纳米线表面等离子体氢气传感器的使用方法，其特征在于，步骤如下：

1）把光输入到第一拉锥微纳光纤，激发单根单晶钯纳米线的表面等离子体信号输出；

2）当待检测的氢气分子接触单根单晶钯纳米线时，渗透进单根单晶钯纳米线里面，引起单根单晶钯纳米线的折射率和吸收带的变化，进而影响通过单根单晶钯纳米线纳米线的表面等离子体信号的强度变化；

3）上述表面等离子体信号的强度变化通过第二拉锥微纳光纤被探测器检测。

8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于，步骤1）所述的光为激光，波长为1100-2000纳米。

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