[發(fā)明專利]一種基于氧化鋅薄膜的可見光吸收型氫氣傳感器件

在審

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• 申請日: 2021-11-17
• 公開（公告）號: CN114371197A
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王釗;楊輝;楊樹林;顧豪爽
• 申請（專利權(quán)）人: 湖北大學(xué)
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12
• 代理公司: 武漢帥丞知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42220
• 代理人: 朱必武;王玉

本發(fā)明設(shè)計(jì)一種基于氧化鋅薄膜的可見光吸收型氫氣傳感器件，是利用基于超材料（Meta?materials）的完美吸收體器件，通過電子束曝光（EBL）和物理氣相沉積等工藝沉積Pd、Pt等對氫氣具有特異性吸附的貴金屬材料作為氫敏光柵，可根據(jù)吸收體對指定波長入射光吸收特性在含氫氣氛中的變化實(shí)現(xiàn)氫氣濃度檢測。包括：制備襯底、制備金屬基底層和超材料介質(zhì)層、旋涂光刻膠、畫光柵結(jié)構(gòu)圖形、生成光刻圖案樣品、制備樣品等步驟。所制備的光學(xué)型氫氣傳感器件可實(shí)現(xiàn)對特定入射光的高效吸收，實(shí)現(xiàn)了在可見光頻段內(nèi)對氫氣濃度的檢測，能夠在不同溫下直接進(jìn)行檢測，受環(huán)境因素的影響較小。體積小、工藝簡單，成本低廉，易于集成和大規(guī)?；a(chǎn)，制作過程無污染。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于氧化鋅薄膜的可見光吸收型氫氣傳感器件，具體涉及一種基于氧化鋅薄膜的Pd一維金屬光柵結(jié)構(gòu)(Au-ZnO-Pd)的氫氣傳感器及其制備方法，屬于電磁波以及氫氣傳感器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

氫氣（H₂）來源廣泛，是一種可循壞再生的清潔能源，其在化學(xué)變化中燃燒產(chǎn)物是H₂O，并能釋放出大量能量，是21世紀(jì)公認(rèn)的最理想的清潔可再生能源，被廣泛的運(yùn)用于金屬冶煉、電子制造、航空航天、醫(yī)療、半導(dǎo)體加工、船舶和化工生產(chǎn)等領(lǐng)域。但由于氫氣無色、無嗅、分子小、點(diǎn)火能低、可燃范圍寬（4~75%）、擴(kuò)散速度快，且在適當(dāng)?shù)臐舛确秶鷥?nèi)遇明火會發(fā)生爆炸等特性，導(dǎo)致其在生產(chǎn)、存儲、運(yùn)輸和使用過程中很容易對人的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全造成危險(xiǎn)。因此，開發(fā)靈敏度高、響應(yīng)速度快、安全、抗干擾能力強(qiáng)的室溫氫氣傳感器對于保障氫能安全具有重要意義。

現(xiàn)有技術(shù)中，為了使氫氣傳感器適應(yīng)更多領(lǐng)域，除開大量的研究降低制作成本和使用時(shí)的功耗、減小外型尺寸外，還持續(xù)不斷的研究可提高靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、選擇性和可靠性的新型號氫氣傳感器。由于各種類氫氣傳感器工作原理的不同，不同類型的氫氣傳感器都有其使用范圍和局限性。目前，氫氣傳感器主要分為電阻型氫氣傳感器、催化型氫氣傳感器、電化學(xué)型氫氣傳感器、光學(xué)型氫氣傳感器等。其中光學(xué)型氫氣傳感器因工作溫度低、抗干擾能力強(qiáng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。由于光纖技術(shù)在氫氣傳感中的發(fā)展，光纖氫氣傳感器也得到了廣泛的研究；但由于現(xiàn)有的光纖氫氣傳感器件存在結(jié)構(gòu)較大并且復(fù)雜、價(jià)格昂貴、不易集成等不足，這些缺點(diǎn)讓其無法被廣泛的運(yùn)用至各領(lǐng)域。因此，光吸收氫氣傳感器贏得了廣大科研者的青睞。

金屬型氫敏材料中，鈀、釔和鎂等貴金屬常常被用作氫氣傳感中敏感層材料，類似于鈀的氫化反應(yīng)，釔和鎂金屬也會由于吸氫后產(chǎn)生氫化物而發(fā)生質(zhì)變，從而導(dǎo)致其介電常數(shù)、折射率、等離子體頻率等光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。但它們的吸附過程很緩慢，通常需要添加催化劑來提高吸附性能，在室溫下，由于鈀具有較高的儲氫容量和容易釋放氫氣的能力，貴金屬鈀常常被用作氫氣傳感中首選敏感層材料。對于半導(dǎo)體型氫敏材料，一般選用ZnO、MoO3、SnO、Nb2O5等金屬氧化物作為氫氣傳感中的敏感材料。ZnO在氫氣傳感器中的應(yīng)用，在過去的20年里得到了廣泛的研究，開始于使用ZnO薄膜與加熱元件結(jié)合到基于納米棒/納米線的一維納米結(jié)構(gòu)作為傳感元件。ZnO不僅可作為氫敏材料，還可以作為一種光電材料，表現(xiàn)出電學(xué)和光學(xué)各向異性以及較高的電子遷移率，并且其制備工藝成熟。

現(xiàn)有技術(shù)中的光學(xué)氫氣傳感器大多是基于光纖型的傳感器，存在結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、價(jià)格昂貴、不易集成等不足，如發(fā)明專利“氫傳感器、氫檢測系統(tǒng)以及具有氫檢測系統(tǒng)的電氣裝置”(201510510374.2)中所公開的技術(shù)方案即在光纖的端部涂敷有多層催化層檢測與傳感器物理接觸的流體中的氫，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易集成。近些年來，研究人員在紅外、近紅外、近光波等頻段內(nèi)進(jìn)行了廣泛的研究，而由于亞波長結(jié)構(gòu)的復(fù)雜及制作限制，在可見光范圍內(nèi)，基于超材料完美吸收體結(jié)構(gòu)的氫氣傳感器目前僅僅局限于理論上的研究?；诖耍浅Ｓ斜匾O(shè)計(jì)一種基于氧化鋅薄膜的可見光范圍的光吸收氫氣傳感器件，以期提供一種在室溫下工作、抗干擾能力強(qiáng)、安全性高、體積小、易于集成，且成本低廉的氫氣傳感器。

發(fā)明內(nèi)容