纳米结构电阻型氢气传感器的研制

作     者：林茹 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张成云

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：飞秒激光 氢气传感器 Pd/CuO 纳米尖峰 纳米转印 

摘      要：人类越来越重视科技发展所带来的环境污染,于是作为绿色能源的氢气就得到了大家的关注。H在火箭发动机、燃料电池、医学、飞机等领域都得到了广泛应用,但H无色无味,高度易燃易爆炸,所以研究氢气传感器的制备至关重要。纳米结构由于具有很高的表面积体积比一直被应用于氢气传感器的制造,制备纳米结构氢气传感器的方法多种多样,可以笼统的分为化学方法和物理方法,由此得到的传感器的种类也各有不同,可分为光学型、电化学型、半导体型、声表面波型、催化型、功函数型、机械性、热电型等。但细分各种制备的方法总有其不足,或制备样品过程太过复杂、操作难度太高,或制造成本太高,或会产生污染,相比之下,飞秒激光微纳加工的方法可以简单快速的制备出致密的纳米结构,对于制备纳米结构的气体传感器具有重要的意义。贵金属钯(Pd)由于对氢气具有独特的反应,所以一直以来被广泛应用于氢气传感。但纯Pd由于价格昂贵、会发生氢脆等缺点不适合直接应用于氢气传感,所以在制备氢气传感器时通常选择添加不同纳米状态的Pd来提高性能,比如Pd可以作为半导体金属氧化物型氢气传感器的催化剂提高其氢敏性能。半导体金属氧化物——氧化铜(Cu O)应用于氢气传感器得到了很多研究,但发现基于纳米结构Cu O的氢气传感器一般都是在200℃到400℃的高温下工作,此工作条件不仅提高了功耗又具有一定的危险性,因此探究在室温下工作的基于Cu O的氢气传感器具有十分重要的意义。所以,在本论文中我们通过飞秒激光加工技术在硅(Si)衬底上诱导出了致密的纳米尖峰结构,然后结合磁控溅射和真空热蒸发镀膜技术分别在粗糙Si衬底上沉积Cu O(27 nm)和Pd(35 nm)膜制备了基于异质纳米结构Pd/Cu O/Si的氢气传感器。对比在室温条件下有无纳米结构的Pd/Cu O/Si氢气传感器在有氢无氢时电阻变化的氢敏测试结果发现,具有纳米结构的Pd/Cu O/Si氢气传感器检测氢气浓度的极限更低为40 ppm,在氢气浓度分别为0.5%、1%、2%和3%时三次循环响应重复性更好。此外,在氢气浓度为1%时,其响应时间最短为198 s,在氢气浓度为2%时,其灵敏度最高为12.20%。所以,具有纳米尖峰结构的Pd/Cu O/Si氢气传感器更适合于氢敏研究。此外,柔性衬底氢气传感器的制造也是当前氢气传感器研究的热点,在本论文中我们通过飞秒激光加工技术在不锈钢表面诱导出了大面积表面周期纳米结构,然后结合微纳转印技术把不锈钢表面的周期纳米结构成功转印到柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)上,并将其作为衬底,通过真空热蒸发镀膜技术沉积Pd膜制备了基于Pd/PDMS的氢气传感器,初步研究了此传感器的氢敏性能。结果发现,当在PDMS上沉积Pd(8.3 mg)的质量较低形成不连续Pd膜时,其检测氢气浓度极限能低至0.01%,并对浓度从0.01%到2%的氢气都有响应;当沉积Pd(39.6 mg)的质量较高形成连续Pd膜时,对浓度为0.5%的氢气也具有一定的响应。但与在玻璃上镀Pd膜相比,稳定性稍显不足,所以基于柔性衬底PDMS的氢气传感器还有很大的进步空间。