CN113945518A - 一种硅量子点氢气探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢气探测领域，具体涉及一种硅量子点氢气探测器，包括光源、光探测器、敏感元件，敏感元件包括衬底、铂层、硅量子点，铂层置于衬底上，硅量子点置于铂层上，光源发出连续谱激光并从硅量子点一侧照射敏感元件，敏感元件反射连续谱激光并被光探测器接收。当用于氢气探测时，将敏感元件置于氢气环境中，通过硅量子点共振波长的移动实现氢气探测。硅量子点的尺寸小，硅量子点的共振波长更严重地依赖于其周围的环境，因此，本发明具有氢气探测灵敏度高的优点，在氢气探测领域具有重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及氢气探测领域，具体涉及一种硅量子点氢气探测器。
背景技术
氢是重要的航天能源物质，也是影响航天器安全与寿命的重要因素。氢气分子非常小，在存储与运输过程中容易发生泄漏。随着氢能源的广泛应用，低浓度氢气的探测在航天、能源、化工等诸多领域具有重要的意义。
常见的氢气探测器多是基于半导体、电化学、声表面波、光声效应、光学原理的。基于光学原理的氢气探测器具有集成度高、灵敏度高等优点。例如，微镜型氢气探测器是将钯膜覆盖在光纤的一端，当单色光通过微型钯镜时，只有微弱的光会被钯膜吸收或者反射，大部分光可以透过钯膜。当钯膜吸附氢气后形成氢化钯，当光信号通过氢化钯薄膜时，光的反射率与折射率发生变化，通过反射率变化可以定量确定氢气的浓度。
传统基于光学原理的氢气探测器多是根据反射率或透射率的变化确定氢气的浓度，氢气的探测灵敏度低。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种硅量子点氢气探测器，包括光源、光探测器、敏感元件，敏感元件包括衬底、铂层、硅量子点，铂层置于衬底上，硅量子点置于铂层上，光源发出连续谱激光并从硅量子点一侧照射敏感元件，敏感元件反射连续谱激光并被光探测器接收。
更进一步地，铂层的厚度大于100纳米。
更进一步地，硅量子点的直径大于1纳米、小于10纳米。
更进一步地，衬底的材料为硅或二氧化硅。
更进一步地，硅量子点为球形。
更进一步地，硅量子点部分地嵌入所述铂层。
更进一步地，硅量子点嵌入所述铂层。
更进一步地，硅量子点的顶部与铂层相切。
更进一步地，硅量子点的顶部与铂层平面的距离小于4纳米。
更进一步地，硅量子点的顶部与铂层平面的距离小于2纳米。
本发明的有益效果：本发明提供了一种硅量子点氢气探测器，包括光源、光探测器、敏感元件，敏感元件包括衬底、铂层、硅量子点，铂层置于衬底上，硅量子点置于铂层上，光源发出连续谱激光并从硅量子点一侧照射敏感元件，敏感元件反射连续谱激光并被光探测器接收。当用于氢气探测时，将敏感元件置于氢气环境中，铂层吸附氢气，转化为氢化铂，氢气改变了铂层的折射率，从而改变了硅量子点周围环境，从而改变了硅量子点的共振波长，通过硅量子点共振波长的移动实现氢气探测。硅量子点的尺寸小，硅量子点的共振波长更严重地依赖于其周围的环境，因此，本发明具有氢气探测灵敏度高的优点，在氢气探测领域具有重要的应用前景。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是一种硅量子点氢气探测器的示意图。
图2是又一种硅量子点氢气探测器的示意图。
图3是再一种硅量子点氢气探测器的示意图。
图中：1、衬底；2、铂层；3、硅量子点。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。
实施例1
本发明提供了一种硅量子点氢气探测器，包括光源、光探测器、敏感元件。如图1所示，敏感元件包括衬底1、铂层2、硅量子点3。铂层2置于衬底1上，硅量子点3置于铂层2上。衬底1的材料为硅或二氧化硅。铂层2的厚度大于100纳米，以便于将铂层2作为硅量子点3的底层，铂层2的折射率变化时，更多地改变硅量子点3的共振波长。硅量子点3的形状可以为立方体、长方体或球形。当硅量子点3为球形时，硅量子点3的直径大于1纳米、小于10纳米，以便于硅量子点3的共振波长在可见光范围。光源发出连续谱激光并从硅量子点3一侧照射敏感元件，敏感元件反射连续谱激光并被光探测器接收。在本发明中，光源为连续谱光源，光谱范围覆盖可见光区域。光探测器包括光谱仪，可以用于测量不同波长光的强度，形成反射光谱。
在本发明中，光源和光探测器可以固定在装置的外壳上；敏感元件置于透明管道内，连续谱激光能够穿透透明管道，透明管道内流有待测氢气。更进一步地，透明管道为矩形，也就是说透明管道具有水平的底面和水平的顶面；敏感元件固定在透明管道的底面上，防止氢气移动敏感元件。
当用于氢气探测时，将敏感元件置于氢气环境中，铂层2吸附氢气，转化为氢化铂，氢气改变了铂层2的折射率，从而改变了硅量子点3周围环境，从而改变了硅量子点3的共振波长，通过硅量子点3共振波长的移动实现氢气探测。硅量子点3的尺寸小，硅量子点3的共振波长更严重地依赖于其周围的环境，因此，本发明具有氢气探测灵敏度高的优点，在氢气探测领域具有重要的应用前景。
在本发明中，氢分子被铂层2吸收后，氢分子断裂成两个氢原子，氢原子插入金属原子的间隙中，形成了金属与氢原子无固定比例的化合物，一方面在金属表面形成活性更高的氢原子，另一方面金属表面的物质形态发生变化，在光学方面表现为折射率变化，折射率变化的量取决于金属表面吸附的氢原子数目或者氢气的浓度。因此，本发明能够根据硅量子点3共振波长的移动确定待测氢气的浓度。
本发明通过铂层2折射率变化改变硅量子点3的共振波长。硅量子点3的尺寸小，并且硅量子点3的共振波长对周围的环境更敏感。因此，相对于贵金属颗粒，本发明中应用硅量子点3能够实现更高灵敏度的氢气探测。
在本发明中，硅量子点3与表面的无机配体，也就是氢气接触，氢气也改变了硅量子点3的禁带宽度和能级结构，也就是也改变了硅量子点3的共振波长。因此，相比于传统的贵金属颗粒，硅量子点3能够实现更高灵敏度的氢气探测。
在本发明中，首先在衬底1上沉积铂层2，沉积的方法可以采用物理气相沉积的方法，例如热蒸发或电子束蒸发，然后在铂层2上设置硅量子点3即可。硅量子点3的制备方法属于成熟技术，可以通过购买获得。因此，本发明具有制备简单的优点。
在本发明中，入射光和氢化铂均在硅量子点3一侧，保证了较强的激发光强度和较多的硅量子点3共振波长移动，二者均有利于提高氢气探测的灵敏度。
在本发明中，入射光可以垂直照射敏感元件，也可以倾斜照射敏感元件。优选地，入射光倾斜照射敏感元件，以增强入射光与敏感元件的相互作用：当铂层2的折射率变化时，硅量子点3的共振波长能够产生更多的移动，从而实现更高灵敏度的氢气探测。
在本发明中，铂层2还可以为钯层，钯层也能够吸附氢气，从而改变钯层的折射率。
实施例2
在实施例1的基础上，如图2所示，硅量子点3部分地嵌入铂层2。也就是说，硅量子点3被更多的铂材料包覆。这样一来，当铂层2吸附氢气时，硅量子点3周围的环境改变更多，硅量子点3的电场共振波长移动更多，从而实现更高灵敏度的氢气探测。
实施例3
在实施例1的基础上，硅量子点3嵌入铂层2。硅量子点3的顶部与铂层2相切。也就是说，硅量子点3正好埋入铂层2。这样一来，铂层2与氢气具有更多的接触面积，能够吸附更多的氢气；当铂层2吸附氢气后，硅量子点3周围环境的折射率改变更多，从而更多地移动硅量子点3的共振波长，从而实现更高灵敏度的氢气探测。
实施例4
在实施例3的基础上，硅量子点3的顶部与铂层2平面的距离小于4纳米。更进一步地，硅量子点3的顶部与铂层2平面的距离小于2纳米。这样一来，硅量子点3弯曲被铂全包覆。当铂层2吸附氢气时，硅量子点3周围环境的折射率全部发生变化，从而更多地改变硅量子点3的共振波长，从而实现更高灵敏的氢气探测。在本实施例中，优选地，硅量子点3的顶部与铂层2平面的距离为1-3纳米，这样一来，不仅能够改变硅量子点3的共振波长，而且入射光能够穿透铂层2、激发硅量子点3中的电荷产生振动。也就是说，如果该距离太大，入射光将不能激发硅量子点3中的电荷产生强振动。在反射光谱中，反射谷信号的半峰宽大，从而降低了探测灵敏度。
实施例5
在实施例4的基础上，铂层2表面设有铂颗粒。铂颗粒增加了铂层2的表面积，从而吸附更多的氢气，从而更多地改变铂层2的折射率，从而更多地移动硅量子点3的共振波长，从而实现更高灵敏度的氢气探测。更进一步地，铂颗粒的尺寸小于10纳米，以便于铂颗粒的表面等离激元共振波长不在可见光区域。
实施例6
在实施例1的基础上，在铂层2和硅量子点3上设有第二铂层。制备时，在实施例1中敏感元件上再沉积第二铂层。第二铂层的厚度小于2纳米。第二铂层部分地包覆硅量子点3。这样一来，能够吸附更多的氢气，由于第二铂层部分地包覆硅量子点3，也更多地改变了硅量子点3的周围环境，因此能够实现更高灵敏度的氢气探测。另外，在实施例1的基础上，直接沉积第二铂层即可，沉积的方法可以为热蒸发或电子束蒸发，因此，本实施例还具有制备简单的优点。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种硅量子点氢气探测器，其特征在于，包括光源、光探测器、敏感元件，所述敏感元件包括衬底、铂层、硅量子点，所述铂层置于所述衬底上，所述硅量子点置于所述铂层上，所述光源发出连续谱激光并从所述硅量子点一侧照射所述敏感元件，所述敏感元件反射连续谱激光并被所述光探测器接收。
2.如权利要求1所述的硅量子点氢气探测器，其特征在于：所述铂层的厚度大于100纳米。
3.如权利要求1所述的硅量子点氢气探测器，其特征在于：所述硅量子点的直径大于1纳米、小于10纳米。
4.如权利要求1所述的硅量子点氢气探测器，其特征在于：所述衬底的材料为硅或二氧化硅。
5.如权利要求1所述的硅量子点氢气探测器，其特征在于：所述硅量子点为球形。
6.如权利要求1-5任一项所述的硅量子点氢气探测器，其特征在于：所述硅量子点部分地嵌入所述铂层。
7.如权利要求1-5任一项所述的硅量子点氢气探测器，其特征在于：所述硅量子点嵌入所述铂层。
8.如权利要求7所述的硅量子点氢气探测器，其特征在于：所述硅量子点的顶部与所述铂层相切。
9.如权利要求7所述的硅量子点氢气探测器，其特征在于：所述硅量子点的顶部与所述铂层平面的距离小于4纳米。
10.如权利要求7所述的硅量子点氢气探测器，其特征在于：所述硅量子点的顶部与所述铂层平面的距离小于2纳米。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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