基于钯金复合膜亚波长圆孔阵列的氢气传感器的理论研究

作     者：张钰 赵郝鑫 徐贲 龚华平 康娟 赵春柳 ZHANG Yu;ZHAO Haoxin;XU Ben;GONG Huaping;KANG Juan;ZHAO Chunliu

作者机构：中国计量大学光学与电子科技学院浙江杭州310018 

出 版 物：《光电子．激光》 (Journal of Optoelectronics·Laser)

年 卷 期：2024年第35卷第5期

页      面：467-474页

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家重点研发计划(2020YFF0217800) 广东省信息光子技术重点实验室(广东工业大学)开放课题基金(GKPT20-04)资助项目 

主　　题：氢气传感 表面等离激元(SPs) 折射率传感 钯金(Pd/Au)复合膜 

摘      要：提出了一种基于钯金(Pd/Au)复合膜的亚波长圆孔阵列结构的氢气传感模型,用于氢气泄漏及氢气浓度检测。利用时域有限差分法(finite-difference time-domain,FDTD)对该Pd/Au复合膜亚波长圆孔阵列结构进行模拟仿真,计算其复合膜的横纵截面电场能量分布及透射特性,并进一步分析在不同结构参数下该传感结构的异常光透射(extraordinary optical transmission,EOT)特性和传感特性。模拟结果表明:Pd/Au复合膜亚波长圆孔阵列结构可产生明显的EOT效应,形成两个突出的异常透射峰,记作峰Ⅰ、峰Ⅱ。当通入氢气时,钯(Pd)膜会吸收氢气引起Pd介电常数的变化,导致EOT特性发生改变,具体表现为波长和透射率的改变。氢气浓度由0%上升至4%时,峰Ⅰ和峰Ⅱ的透射率变化量分别可达到0.16和0.24。由于其透射率强度变化比较明显,因此可通过透射峰强度变化来实现对氢气浓度的监控和检测。本文所提出的基于Pd/Au复合膜的亚波长圆孔阵列结构的氢气传感器的圆孔结构加工简单,所镀的Pd膜很薄使传感器响应速度快,EOT效应使该结构信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)高,可利用光电集成技术进行批量生产,具有很强的实用价值。