钯纳米线表面等离激元型传感器

图片说明:上海理工大学曾和平教授和谷付星博士研究团队制备出单晶钯纳米线,将其用于表面等离子体激元传输,并发现其对氢气有着高灵敏的响应。

由于金属钯对氢气溶解有着较高的选择性及可逆性,钯及其合金常被用于氢气传感领域。表面等离激元可在纳米尺度上实现光与物质相互作用,目前钯纳米结构的表面等离激元研究主要集中在局域表面等离子体共振型传感器。即通过自由空间激光照射纳米颗粒激发出表面等离体激元。由于光斑和纳米颗粒尺寸相差太大,只有少量光与纳米颗粒作用,导致其激发效率低下,背景噪声大。而利于光学纳米线为波导研究光与物质的相互作用则可以带来特殊的优势:金属波导中激发的表面等离体激元的能量场强分布高度局域在几十纳米范围的空间内。这为我们研究钯-氢相互作用提供了高灵敏和快响应的新途径。

针对这一问题,上海理工大学曾和平教授和谷付星博士研究团队提出单晶钯纳米线波导用于发展高灵敏的表面等离子体激元型的氢气传感器。所用的单晶钯纳米线采用气相-液相-固相生长法制得备。采用倏逝波耦合的方法激发钯纳米线中的表面等离子体激元。对于放置在衬底MgF2上的钯纳米线在波长635 nm损耗约为2 dB/µm。而在悬空条件下,由于高阶模效应钯纳米线的损耗约为0.6 dB/µm。该团队还通过合金技术制得单晶钯银纳米线,并证明其损耗降低并可通过成分比例来调节。最后利用单晶钯纳米线用于氢气传感试验。发现随着氢气浓度从0增大到6%,980 nm光透过率最大变化值在3.6%的度时达到11 dB(92%)左右。而普通的光学传感器的光透过率最大变化值一般在3 dB(50% )以下。最低检测浓度为0.2%,这比大多数光学和表面等离激元传感器都要低。

该工作提出的基于单晶钯纳米线的表面等离子体氢气传感器适合于标准光纤通信系统及微流控芯片技术集成,对于发展基于金属纳米线的表面等离子体传感器具有重要的意义。相关工作得到了国家重大科学研究计划,国家重大仪器项目,及国家青年自然科学基金的资助。