CN111208059B - 基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器 - Google Patents
基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111208059B CN111208059B CN202010086463.XA CN202010086463A CN111208059B CN 111208059 B CN111208059 B CN 111208059B CN 202010086463 A CN202010086463 A CN 202010086463A CN 111208059 B CN111208059 B CN 111208059B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gold
- core
- palladium
- nano
- shell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 47
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 26
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 title claims abstract description 21
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 title claims abstract 12
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 55
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical group [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 49
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 28
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims abstract description 25
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 claims abstract description 21
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 15
- BBKFSSMUWOMYPI-UHFFFAOYSA-N gold palladium Chemical compound [Pd].[Au] BBKFSSMUWOMYPI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- KLFHCQTYRZDUCB-UHFFFAOYSA-N [O--].[O--].[O--].[Al+3].[Au+3] Chemical compound [O--].[O--].[O--].[Al+3].[Au+3] KLFHCQTYRZDUCB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 10
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000007747 plating Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 18
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 16
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 12
- MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N Oxalic acid Chemical compound OC(=O)C(O)=O MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000002048 anodisation reaction Methods 0.000 claims description 8
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 claims description 8
- 239000011258 core-shell material Substances 0.000 claims description 7
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 7
- 235000001674 Agaricus brunnescens Nutrition 0.000 claims description 6
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 239000002077 nanosphere Substances 0.000 claims description 5
- XFXPMWWXUTWYJX-UHFFFAOYSA-N Cyanide Chemical compound N#[C-] XFXPMWWXUTWYJX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 101150003085 Pdcl gene Proteins 0.000 claims description 3
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 claims description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 3
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 3
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 235000006408 oxalic acid Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 3
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N tantalum pentoxide Inorganic materials O=[Ta](=O)O[Ta](=O)=O PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 14
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007743 anodising Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000002659 electrodeposit Substances 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009965 odorless effect Effects 0.000 description 1
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 description 1
- 238000006303 photolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000015843 photosynthesis, light reaction Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/59—Transmissivity
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
- G01N27/221—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
- G01N2021/558—Measuring reflectivity and transmission
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
- G01N27/221—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties
- G01N2027/222—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance by investigating the dielectric properties for analysing gases
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器，包括光纤和光纤端面上图案化的金核/钯壳纳米线阵列，其制备方法为：在光纤端面上沉积金和铝，通过阳极氧化工艺形成多孔氧化铝结构，腐蚀扩大孔的直径并填充金，形成金纳米线,与氧化铝结构形成氧化铝金纳米线复合薄膜，并在金纳米线周围或端面镀钯，形成金‑钯复合结构；在镀钯的氧化铝金纳米线复合薄膜表面转移一层周期有序的聚苯乙烯纳米微球薄膜，通过离子刻蚀去除未被聚苯乙烯纳米微球掩膜的金‑钯复合纳米线结构，并去除聚苯乙烯纳米微球；最后去除氧化铝基质。本发明是通过电化学技术制造光学传感器，方法简单且成本低，该光纤传感器具有高灵敏性、高安全性。
Description
技术领域
本发明涉及气体传感器技术领域，具体涉及一种基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器。
背景技术
氢气是一种极其洁净的能源，其氧化产物只是水，且氢气可以通过电解、光解水等方式再生。因而氢被认为是最有希望用于燃料电池和内燃机的清洁能源载体之一。它广泛用于科学研究和工业，特别是在玻璃和钢铁制造、石油产品精炼和一般的化学工业中。但是氢是一种高度可燃的无色无味气体，在按体积计浓度超过4％的环境大气条件下极易燃烧，这使得氢气的存储和使用十分困难。这些特性阻碍了氢在工业应用或氢基技术开发中的应用。这强调了开发高灵敏度、廉价、可靠的传感器来探测氢气存在的重要性。
传统的氢传感器是基于半导体、质子导体或铂丝的电子读数，这些传感器在高温下显示出更高的灵敏度，从而引发了安全问题。这就要求传感器能够在非常低的浓度(体积约为0.01％)下精确地检测氢气，而不需要特殊的条件。在这方面，是光学检测氢是一种很有前途的方法，与电力对应物相比，它能在周围环境中具有高灵敏度、快速响应时间和超低功耗。消除氢气氛中的电流，也能将爆炸的风险降到最低，因此非常适合所有与氢有关的应用。
发明内容
本发明的目的是在于克服现有技术中的不足，提出了一种基于金核/钯壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器，以解决现有技术条件下光学氢气传感器的测量精度、灵敏度不高的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器，包括光纤和光纤端面上图案化的金核/钯壳纳米线阵列，其制备方法为：在光纤端面上沉积金和铝，通过阳极氧化工艺形成多孔氧化铝结构，腐蚀扩大孔的直径并填充金，形成金纳米线,与氧化铝结构形成氧化铝金纳米线复合薄膜，并在金纳米线周围或端面镀钯，形成金-钯复合结构；然后在镀钯的氧化铝金纳米线复合薄膜表面转移一层周期有序的聚苯乙烯纳米微球薄膜，通过离子刻蚀去除未被聚苯乙烯纳米微球掩膜的金-钯复合纳米线结构，并去除聚苯乙烯纳米微球；最后去除氧化铝基质，得到空气中图案化的Au/Pd纳米核壳/蘑菇阵列。
进一步的，通过纳米球印刷法形成亚微米尺度的周期性的区块或图案，其周期性、形状可控；所述区块或图案能够产生额外的表面等离激元，且波长也可调。
进一步的，所述金核/钯壳纳米线阵列的相对高度差用于控制传感器调制强度。
进一步的，具有图案化的金核/钯壳纳米线阵列光纤端面的倾角包括0度到50度。
基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器，其制作步骤如下：
1)通过磁控溅射在多层玻璃基板上沉积铝膜；
2)分两步进行阳极氧化来合成多孔氧化铝结构：在初始阳极氧化工艺之后，蚀刻除去形成的不良有序多孔层，再次进行阳极氧化；
3)蚀刻扩大孔的直径并去除阻挡层；
4)使用非氰化物溶液通过三电极系统进行金的电沉积，形成金纳米线，与氧化铝结构形成氧化铝金纳米线复合薄膜；在金纳米线端面上镀钯，形成金-钯复合结构，通过控制电沉积的时间来控制金纳米线的长度；
5)在镀钯的氧化铝金纳米线复合薄膜表面转移一层周期有序的聚苯乙烯纳米微球薄膜，通过离子刻蚀去除未被聚苯乙烯纳米微球掩膜的金-钯复合纳米线结构，并去除聚苯乙烯纳米微球；
6)将样品进行蚀刻，在金纳米线周围刻蚀空气环；
7)将钯电沉积在金纳米线周围环形空气壳中；
8)蚀刻剩余的氧化铝基质形成空气中图案化的Au/Pd纳米核壳/蘑菇阵列。
步骤1)中，先在玻璃基底上用20％的氧气/80％的氩气混合物溅射钽来沉积10nm厚五氧化二钽粘合剂层和7nm厚的Au膜作弱导电层，再沉积700nm厚的铝膜。
步骤2)中，分两步进行阳极氧化来合成多孔氧化铝结构：在初始阳极氧化工艺之后，在70℃下3.5％的H3PO4和20gL-1的CrO3溶液中蚀刻除去形成的不良有序多孔层，再次进行阳极氧化；阳极氧化的环境为40V的0.3M草酸。
步骤3)、步骤6)、步骤8)中，蚀刻采用的溶液为30mMNaOH。
步骤6)中，在金纳米线周围刻蚀出10nm的空气环。
步骤7)中，使用70mM K2PdCl4和20mM H2SO4的混合溶液进行钯电沉积。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中钯作为氢敏感薄膜，氢气改变钯的体积和折射率，并改变图案化的纳米线阵列的等效介电常数，从而改变激发出的表面等离激元的波长，同时也改变纳米线阵列固有的纵模的强度，因而可以同时从强度和波长解调氢气的浓度。以高灵敏度的光学检测方式测量氢气的浓度，安全可靠，同时可便于远程监测。
与传统的电探测器相比，本发明的光纤传感器具有很高的灵敏性和极高的安全性。本发明是通过电化学技术制造光学传感器，方法简单且成本低，在加氢站，钢铁工业和其他与氢有关的应用中具有巨大的市场潜力。
附图说明
图1是本发明的光纤氢气传感器截面示意图。
图2是本发明的光纤氢气传感器俯视图。
图3是铝阳极氧化的过程示意图。
图4是本发明的光纤氢气传感器制作工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器，其截面图如图1所示。该光纤氢气传感器结构主要包括光纤和光纤端面上图案化的金核/钯壳纳米线阵列。其主要制作工艺为：在光纤端面上沉积金和铝，通过阳极氧化工艺形成多孔氧化铝结构，腐蚀扩大孔的直径并填充金，形成金纳米线,与氧化铝结构形成氧化铝金纳米线复合薄膜，并在金纳米线周围或端面镀钯，形成金-钯复合结构；然后在镀钯的氧化铝金纳米线复合薄膜表面转移一层周期有序的聚苯乙烯纳米微球薄膜，通过离子刻蚀去除未被聚苯乙烯纳米微球掩膜的金-钯复合纳米线结构，并去除聚苯乙烯纳米微球；最后去除氧化铝基质，得到空气中图案化的Au/Pd纳米核壳/蘑菇阵列。本发明的金/钯核壳棒阵列的制备流程图如图4所示。
本发明的制备步骤如下：
a)在玻璃基底上用20％的氧气/80％的氩气混合物溅射钽来沉积10nm厚五氧化二钽粘合剂层和7nm厚的Au膜作弱导电层，如图4(a)所示；通过磁控溅射将700nm厚的铝膜沉积在多层玻璃基板上。
b)在40V的0.3M草酸中分两步进行阳极氧化来合成多孔氧化铝结构；在初始阳极氧化工艺之后，在70℃下的3.5％的H3PO4和20gL-1的CrO3溶液中蚀刻除去形成的不良有序多孔层；再次进行阳极氧化，如图4(b)所示。
c)将样品置于30mMNaOH溶液中蚀刻，扩大孔的直径并去除阻挡层。
d)使用非氰化物溶液通过三电极系统进行金的电沉积，形成金纳米线，与氧化铝结构形成氧化铝金纳米线复合薄膜；在金纳米线端面上镀钯，形成金-钯复合结构。如图4(c)所示，通过控制电沉积的时间来控制金纳米线的长度。
e)在镀钯的氧化铝金纳米线复合薄膜表面转移一层周期有序的聚苯乙烯纳米球薄膜，如图4(d)所示，离子刻蚀去除未被聚苯乙烯纳米微球掩膜的金-钯复合纳米线结构，并去除聚苯乙烯纳米微球。
f)将样品放置于30mMNaOH溶液中进行刻蚀，在金纳米线周围刻蚀出10nm左右的空气环，如图4(e)所示。
g)使用70mM K2PdCl4和20mM H2SO4的混合溶液将钯电沉积在空气壳中，如图4(f)所示。
h)在30mMNaOH溶液中蚀刻剩余的氧化铝基质形成空气中图案化的Au/Pd纳米核壳/蘑菇阵列，如图1所示。
本发明采用便宜且行业友好的自组织技术，在平方厘米区域上制造了双金属(Pd/Au)超材料，且证明了这种超材料对低浓度氢气检测的极高灵敏度。在2％的氢气浓度下(2％的氢气与98％的氮气混合)，反射和透射率的变化通常超过30％，这些变化对于肉眼可见，采用传统的传感基板照明。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器，其特征在于：包括光纤和光纤端面上图案化的金核/钯壳纳米线阵列，其制备方法为：在光纤端面上沉积金和铝，通过阳极氧化工艺形成多孔氧化铝结构，腐蚀扩大孔的直径并填充金，形成金纳米线,与氧化铝结构形成氧化铝金纳米线复合薄膜，并在金纳米线周围或端面镀钯，形成金-钯复合结构；然后在镀钯的氧化铝金纳米线复合薄膜表面转移一层周期有序的聚苯乙烯纳米微球薄膜，通过离子刻蚀去除未被聚苯乙烯纳米微球掩膜的金-钯复合纳米线结构，并去除聚苯乙烯纳米微球；最后去除氧化铝基质，得到空气中图案化的Au/Pd纳米核壳/蘑菇阵列。
2.根据权利要求1所述的基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器，其特征在于：通过纳米球印刷法形成亚微米尺度的周期性的区块或图案，其周期性、形状可控；所述区块或图案能够产生额外的表面等离激元，且波长也可调。
3.根据权利要求1所述的基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器，其特征在于：所述金核/钯壳纳米线阵列的相对高度差用于控制传感器调制强度。
4.根据权利要求1所述的基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器，其特征在于：具有图案化的金核/钯壳纳米线阵列光纤端面的倾角为0度到50度。
5.根据权利要求1所述的基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器，其特征在于：其制作步骤如下：
1)通过磁控溅射在多层玻璃基板上沉积铝膜；
2)分两步进行阳极氧化来合成多孔氧化铝结构：在初始阳极氧化工艺之后，蚀刻除去形成的不良有序多孔层，再次进行阳极氧化；
3)蚀刻扩大孔的直径并去除阻挡层；
4)使用非氰化物溶液通过三电极系统进行金的电沉积，形成金纳米线，与氧化铝结构形成氧化铝金纳米线复合薄膜；在金纳米线端面上镀钯，形成金-钯复合结构，通过控制电沉积的时间来控制金纳米线的长度；
5)在镀钯的氧化铝金纳米线复合薄膜表面转移一层周期有序的聚苯乙烯纳米微球薄膜，通过离子刻蚀去除未被聚苯乙烯纳米微球掩膜的金-钯复合纳米线结构，并去除聚苯乙烯纳米微球；
6)将样品进行蚀刻，在金纳米线周围刻蚀空气环；
7)将钯电沉积在金纳米线周围环形空气壳中；
8)蚀刻剩余的氧化铝基质形成空气中图案化的Au/Pd纳米核壳/蘑菇阵列。
6.根据权利要求3所述的基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器，其特征在于：步骤1)中，先在玻璃基底上用20％的氧气/ 80％的氩气混合物溅射钽来沉积10nm厚五氧化二钽粘合剂层和7nm厚的Au膜作弱导电层，再沉积700nm厚的铝膜。
7.根据权利要求3所述的基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器，其特征在于：步骤2)中，分两步进行阳极氧化来合成多孔氧化铝结构：在初始阳极氧化工艺之后，在70°C下、3.5％的H3PO4和 20gL-1的CrO3溶液中蚀刻除去形成的不良有序多孔层，再次进行阳极氧化；阳极氧化的环境为40 V的0.3 M草酸。
8.根据权利要求3所述的基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器，其特征在于：步骤3)、步骤6)、步骤8)中，蚀刻采用的溶液为30mMNaOH。
9.根据权利要求3所述的基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器，其特征在于：步骤6)中，在金纳米线周围刻蚀出10nm的空气环。
10.根据权利要求3所述的基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器，其特征在于：步骤7)中，使用70mM K2PdCl4和20mM H2SO4的混合溶液进行钯电沉积。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010086463.XA CN111208059B (zh) | 2020-02-11 | 2020-02-11 | 基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010086463.XA CN111208059B (zh) | 2020-02-11 | 2020-02-11 | 基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111208059A CN111208059A (zh) | 2020-05-29 |
| CN111208059B true CN111208059B (zh) | 2022-09-30 |
Family
ID=70782636
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010086463.XA Active CN111208059B (zh) | 2020-02-11 | 2020-02-11 | 基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111208059B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112816442B (zh) * | 2020-12-26 | 2023-01-20 | 广东工业大学 | 一种光纤传感器及检测方法 |
| CN113324949B (zh) * | 2021-06-07 | 2022-05-10 | 南京信息工程大学 | 一种基于纳米同轴波导管的光纤氢气传感器及其制备方法 |
| CN114879390B (zh) * | 2022-06-06 | 2023-09-12 | 南京信息工程大学 | 一种纳米线结构色彩色显示屏及其制作方法 |
| CN115615965B (zh) * | 2022-11-17 | 2023-04-14 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种氢气传感器及其制备方法、检测氢气浓度的方法 |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005082746A (ja) * | 2003-09-10 | 2005-03-31 | Kawamura Inst Of Chem Res | 三次元周期構造体、三次元周期多孔質構造体、およびこれらの製造方法 |
| JP2005128274A (ja) * | 2003-10-24 | 2005-05-19 | Ricoh Co Ltd | 三次元周期構造体の製造方法 |
| CN102321905A (zh) * | 2011-10-10 | 2012-01-18 | 吉林大学 | 利用微纳球排列进行图案预制制备多级结构氧化铝的方法 |
| CN103474483A (zh) * | 2013-09-13 | 2013-12-25 | 南开大学 | 一种周期性结构的背反射电极及其制备方法 |
| CN104020201A (zh) * | 2014-06-19 | 2014-09-03 | 电子科技大学 | 一种低温钯基氢气传感器及其制造方法 |
| CN104132914A (zh) * | 2014-07-31 | 2014-11-05 | 上海理工大学 | 干涉型氢气传感器及其制备和使用方法 |
| CN105136870A (zh) * | 2015-09-22 | 2015-12-09 | 电子科技大学 | 一种氢气传感器及其制造方法 |
| CN107209293A (zh) * | 2014-11-26 | 2017-09-26 | 苏普利亚·杰西瓦尔 | 使用远紫外线辐射光刻的材料、组件和方法，及其它应用 |
| CN108169185A (zh) * | 2017-12-20 | 2018-06-15 | 中国科学院微电子研究所 | 一种光学氢气传感器及其制备方法和应用系统 |
| CN108274014A (zh) * | 2018-01-23 | 2018-07-13 | 南开大学 | 一种具有多重分枝状的纳米合金及其制备方法 |
| CN108373136A (zh) * | 2018-03-14 | 2018-08-07 | 云南大学 | 一种非密排有序聚苯乙烯纳米球模板的制备方法 |
| CN108872314A (zh) * | 2018-07-03 | 2018-11-23 | 中国工程物理研究院化工材料研究所 | 一种压电型氢气传感器及其制备方法和应用 |
| CN110286090A (zh) * | 2019-04-19 | 2019-09-27 | 武汉理工大学 | 基于Au@Pd纳米颗粒的光纤氢气传感器及其制备方法和应用 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20060289351A1 (en) * | 2004-07-02 | 2006-12-28 | The University Of Chicago | Nanostructures synthesized using anodic aluminum oxide |
| US10400322B2 (en) * | 2015-12-04 | 2019-09-03 | The University Of Florida Research Foundation, Inc. | Fabrication of thermally stable nanocavities and particle-in-cavity nanostructures |
-
2020
- 2020-02-11 CN CN202010086463.XA patent/CN111208059B/zh active Active
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005082746A (ja) * | 2003-09-10 | 2005-03-31 | Kawamura Inst Of Chem Res | 三次元周期構造体、三次元周期多孔質構造体、およびこれらの製造方法 |
| JP2005128274A (ja) * | 2003-10-24 | 2005-05-19 | Ricoh Co Ltd | 三次元周期構造体の製造方法 |
| CN102321905A (zh) * | 2011-10-10 | 2012-01-18 | 吉林大学 | 利用微纳球排列进行图案预制制备多级结构氧化铝的方法 |
| CN103474483A (zh) * | 2013-09-13 | 2013-12-25 | 南开大学 | 一种周期性结构的背反射电极及其制备方法 |
| CN104020201A (zh) * | 2014-06-19 | 2014-09-03 | 电子科技大学 | 一种低温钯基氢气传感器及其制造方法 |
| CN104132914A (zh) * | 2014-07-31 | 2014-11-05 | 上海理工大学 | 干涉型氢气传感器及其制备和使用方法 |
| CN107209293A (zh) * | 2014-11-26 | 2017-09-26 | 苏普利亚·杰西瓦尔 | 使用远紫外线辐射光刻的材料、组件和方法，及其它应用 |
| CN105136870A (zh) * | 2015-09-22 | 2015-12-09 | 电子科技大学 | 一种氢气传感器及其制造方法 |
| CN108169185A (zh) * | 2017-12-20 | 2018-06-15 | 中国科学院微电子研究所 | 一种光学氢气传感器及其制备方法和应用系统 |
| CN108274014A (zh) * | 2018-01-23 | 2018-07-13 | 南开大学 | 一种具有多重分枝状的纳米合金及其制备方法 |
| CN108373136A (zh) * | 2018-03-14 | 2018-08-07 | 云南大学 | 一种非密排有序聚苯乙烯纳米球模板的制备方法 |
| CN108872314A (zh) * | 2018-07-03 | 2018-11-23 | 中国工程物理研究院化工材料研究所 | 一种压电型氢气传感器及其制备方法和应用 |
| CN110286090A (zh) * | 2019-04-19 | 2019-09-27 | 武汉理工大学 | 基于Au@Pd纳米颗粒的光纤氢气传感器及其制备方法和应用 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Nanoporous Templates and Membranes Formed by Nanosphere Lithography and Aluminum Anodization;A. L. Lipson等;《small》;20091231;第2807-2811页 * |
| Sensing properties for a microhydrogen sensor with modified palladium film;Jin-Ho Yoon等;《Sensors and Actuators B》;20130328;第540-545页 * |
| 一种基于离心沉积金钯核壳纳米颗粒膜的光纤H_2传感器;刘明尧等;《光电子激光》;20180515(第05期) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111208059A (zh) | 2020-05-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111208059B (zh) | 基于核/壳纳米周期性线阵列等离子体超材料的光纤氢气传感器 | |
| Takahashi et al. | Electrodeposition of thermally stable gold and silver nanoparticle ensembles through a thin alumina nanomask | |
| US20030139003A1 (en) | Porous gas sensors and method of preparation thereof | |
| CN109540841B (zh) | 光纤法布里-玻罗氢气传感器、制作方法及其检测方法 | |
| Sanchez et al. | Lossy mode resonances toward the fabrication of optical fiber humidity sensors | |
| Dai et al. | Enhanced sensitivity of fiber Bragg grating hydrogen sensor using flexible substrate | |
| CN102180438A (zh) | 一种可调谐三角形金属纳米粒子阵列结构的制作方法 | |
| CN104332513B (zh) | 一种NiO纳米线紫外光探测器及其制备方法与应用 | |
| EP2997351B1 (en) | Plasmonic hydrogen detection | |
| CN103332648A (zh) | 电调制mems 红外光源及其制备方法 | |
| Yan et al. | Sapphire fiber optical hydrogen sensors for high-temperature environments | |
| KR20140106082A (ko) | 가스센서 및 가스센서의 제조 방법 | |
| Singh et al. | Synthetic and structural investigation of ZnO nano-rods, hydrothermally grown over Au coated optical fiber for evanescent field-based detection of aqueous ammonia | |
| CN111778479A (zh) | 银纳米颗粒组装的空腔结构阵列及其制备方法和用途 | |
| Matsubara et al. | Effects of adsorbed water on plasmon-based dissolution, redeposition and resulting spectral changes of Ag nanoparticles on single-crystalline TiO 2 | |
| Starkov et al. | Silicon structures with variable morphology of pores methods of obtaining physical and optical properties | |
| CN104914072B (zh) | 一种多孔硅光子晶体生物芯片的检测方法 | |
| Dong et al. | Plasmon-exciton coupling for nanophotonic sensing on chip | |
| KR102013825B1 (ko) | 수소가스센서 및 이의 제조방법 | |
| Pligovka et al. | Formation features, morphology and optical properties of nanostructures via anodizing Al/Nb on Si and glass | |
| Liu et al. | Induced SERS activity in Ag@ SiO2/Ag core‐shell nanosphere arrays with tunable interior insulator | |
| CN110487768A (zh) | 一种表面具有原位制备的金属纳米棒阵列的光纤探针及其制备方法 | |
| Liang et al. | Mesoporous anodic α-Fe 2 O 3 interferometer for organic vapor sensing application | |
| Hosseini et al. | Optical hydrogen sensing by MoO3 films deposited by a facile flame synthesis method | |
| Sun et al. | Increasing local field by interfacial coupling in nanobowl arrays |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20231110 Address after: Factory Area No. 7, Fenghua Industrial Park, No. 80 9th Street, Tianjin Development Zone, Binhai New Area, Tianjin, 300000 Patentee after: BOYI (TIANJIN) PNEUMATIC TECHNOLOGY INSTITUTE Co.,Ltd. Address before: 230000 floor 1, building 2, phase I, e-commerce Park, Jinggang Road, Shushan Economic Development Zone, Hefei City, Anhui Province Patentee before: Dragon totem Technology (Hefei) Co.,Ltd. Effective date of registration: 20231110 Address after: 230000 floor 1, building 2, phase I, e-commerce Park, Jinggang Road, Shushan Economic Development Zone, Hefei City, Anhui Province Patentee after: Dragon totem Technology (Hefei) Co.,Ltd. Address before: 210044 No. 219 Ning six road, Jiangbei new district, Nanjing, Jiangsu Patentee before: Nanjing University of Information Science and Technology |