光学读取的氢气传感器使用的Pd / Y双层薄膜

今井裕二，良树Okuhara，野口裕司和Masasuke高田

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AZojomo (ISSN 1833-122X)第2卷2006年3月

主题涵盖

抽象的

关键字

介绍

实验

结果和讨论

结论

致谢

参考

详细联系方式

抽象的

研究了钯(Pd) /钇(Y)双层薄膜的光学特性，实现了室温下高灵敏度的光学氢传感器。当传感器检测到的100个％的氢气，观察到的Pd / Y薄膜的透射率约17倍的显着增加。此外，在8秒钟内的响应时间比以前报道的和的30秒的恢复时间比Pd膜的短短得多。该传感器表现出透射率约8倍的显着增加，即使与检测0.1％的氢气。与基于Pd的先前报告的光学传感器相比，钯/ Y薄膜具有高灵敏度和优异的响应和回复性的一个很大的优势。

关键字

氢传感器;光学传感;Pd / Y薄膜;敏感性;响应和恢复属性

介绍

氢预计，因为它是清洁，取之不尽发挥作为二次能源资源具有重要作用。氢气的使用涉及很大的风险，因为它具有广泛的爆炸浓度和低点火能量，以及无色无味的性质。出于这个原因，用于监测氢的感测装置需要安全地使用氢气。传统电动传感器，如半导体陶瓷（Sno₂或ZnO)[1,2]和简单的铂丝，必须加热到150-400˚C以提高灵敏度。因此，T他类型的传感器具有点火的由于其高操作温度的风险，以及电火花可以在感测电路上产生的可能性。

为了避免这些问题，我们已经开发了一种新型光学可读氢传感器。光学可读传感器的原理是根据Pd[3]、Pd/WO等薄膜的透过率和反射率的变化来实现的_3.[4]和Pd /牛叫声_3.[5]在玻璃基板，由于氢化物的形成上。这些传感器具有较高的安全性和防止爆炸的优点。

在稀土金属与形成自己的氢化物的光学性质发生了重大变化报道了Huibertset al。[6]。用稀土金属选择钇（Y）作为检测氢。此外，钯（Pd）以优异的氢气吸附被用作催化剂的Y层上的层。存在着具有高灵敏度的光传感器可以使用这些材料来实现的可能性。欧洲杯足球竞彩然而，目前还没有从氢敏感特性的角度研究其材料的特性，如响应速度、重复性和灵敏欧洲杯足球竞彩度的氢浓度依赖性。本文研究了PD / Y双层薄膜的光学性质。

实验

The sensing devices consisting of a Y film covered with a Pd film were prepared on a glass substrate (Corning #7059) using a R. F. magnetron sputtering apparatus (Anelva, SPF-332H), which was equipped with 99.99% Pd and 99.9% Y plates.溅射在1Pa AR气氛下进行。在基板上在Y膜的沉积之后，连续地形成在Y膜Pd膜。Pd膜起着不仅在保护y膜对着它的氧化，而且在催化氢解离了重要的作用。为了将PD / Y传感器与先前[3]的基于PD的传感器进行比较，还通过类似的程序制备Pd单层膜。制备用20nm Pd膜和Pd单层膜覆盖的50nm y膜，以具有70nm的总厚度。此外，用20nm Pd膜覆盖的Y膜的厚度从20nm到150nm变化。

使用双单色仪分光光度计（Shimadzu，UV-365）测量Pd / Y膜的透射率和反射率。X射线衍射（XRD）分析，以鉴定使用X射线衍射装置（RIGAKU，RINT-1500）的产品和它的结晶取向。为了获得Pd/Y薄膜在氢气或空气气氛下的光学特性和XRD谱图，在这些设备上安装了可引入氢气或空气的电池。2020欧洲杯下注官网

对于氢感测特性的测量，将样品放置成与玻璃窗的小区其中可引入空气或Ar含有氢。的试料从半导体激光器光束（680纳米波长）垂直地照射。用等离子体显示器（滨松，PMA-10）检测出的透射光穿过样品。所有测量均在室温下以10进行⁵Pa。

结果与讨论

图1示出在用于覆盖有在室温下具有20纳米Pd膜50纳米y膜的光谱范围内的300-2500纳米的光透射光谱。在可见区域，具有闪亮金属状态(图1 (a))的沉积膜的透光率约为1%，在10时的氢气氛中显著增加⁵PA（图1（b））。在钯/ Y膜的透射率的变化比大得多的钯单层膜为70nm的相同总厚度。暴露在空气中后，透光率降低(图1 (c))，光谱不能恢复到原来的状态。

处于图1 (c)所示状态的Y膜失去了最初的金属光泽，变成深蓝色。钯有效地催化氢解离和容易吸收分解出的氢。据认为，氢从Pd膜渗透更深转换为Y膜，不仅Pd膜，而且在Y膜吸收的氢。

图2显示了在室温下Pd / Y膜的250-800nm的光谱范围内的反射率。从薄膜Y侧的反射率被展示出来。所沉积的膜具有高反射由于与金属特性相关联的自由电子光学响应。在氢气氛中，Y膜中的自由电子由于金属-绝缘体过渡[7]而减少。因此，观察到超过350nm波长的反射率的显着降低。暴露于空气中后，将膜高反射超过520纳米波长相比，在氢气氛中的反射率。这类似于自由电子用于Y dihydrides的行为，和低于520纳米的反射率通过光学带间吸收[8]的约束。

为了阐明Pd / Y膜的每种状态的差异，如图1（a） - （c）所示，我们进行了X射线衍射分析。对于所沉积的膜（图3（a）），观察到Y（100），Y（002）和Pd（111）的峰。在氢气氛中（图3（B）），对应的峰值为Y和Pd消失，唯一的PDH_0.706（111）以较低角度观察到峰，因为Pd的平面晶格间距随着Pd膜吸收的氢而增加。本产品的_{3 -δ}与在Y薄膜[9]提高氢的浓度形成。在这项工作中，然而，对应于YH峰_{3 -δ}没有证实。

根据Huibertset al。[6,7]，在较低氢浓度下，α-YH_x（X <0.21）形成。在较高的氢浓度时，γ-YH_x（X> 2.85）的β-YH的形成之后形成_x（1.83 的氢浓度引线的增加在光传输强度β-γ相共存区域内的突然和剧烈的增加。更多的γ决断力_x相沉淀物随着时间的推移。在这项工作中，氢气氛中的Y膜的状态被认为是β-γ共存阶段。然而，由于Y膜（50nm）的厚度非常薄，因此分配给β-或γ相的峰未出现在氢气氛中。暴露于空气后（图3（c）），再次观察到Pd（111），因为氢被排除在Pd氢化物膜中。而且，峰对应的不是Y，而是YH₂（111）出现了。该结果表明，氢气保持在Y薄膜和YH中₂形成，这引起在图1（a）和（c）中所示的状态之间的光谱的区别。YH高峰₂(111)再次消失，唯一的PdH_0.706(111)峰暴露于空气后在氢大气中观察到。

图4显示了在室温下，70 nm Pd薄膜和覆盖20 nm Pd薄膜的50 nm Y薄膜在680 nm波长下的透过率随时间的变化。当Pd膜检测到氢气时，透射率表现出快速增加到初始值的约6倍（图4（a））。暴露于空气中后，将透射率返回到初始值，并且Pd膜反复显示出相同的感测特性。另一方面，首次检测氢气后，Pd/Y薄膜的透光率急剧增加，达到初始值的17倍左右(图4 (b))。可见，与Pd薄膜相比，Pd/Y薄膜具有高灵敏度的优点。

此外，反应非常快。虽然钯/ Y膜的响应时间报告Huibertset al。大约80秒[6]，在这项工作中制备的薄膜是8秒或更小。此外，恢复的时间，直到透射率的饱和水平是30秒，如图4的（a），它是比Pd膜（约65或多个）的长度短。从上述的比较中，很明显的是，钯/ Y膜具有优异的响应和回复性。暴露在空气中后，由于YH，透射率没有恢复到初始值₂形成如图3（c）所示。

然而，从第二次氢传感，观察到良好的重现性。这种现象可以用于重复检测的要求。此外，唯一的y膜的透射率并没有在所有暴露于氢气后发生变化，从而使Pd膜起着催化氢解离了重要的作用。

它被认为是极其重要的氢传感器，以检测各种浓度的氢。将Pd / Y薄膜可以检测100％的氢作为如图4所示。各种浓度的氢气下感测特性进行测定。图5（a）显示了Pd / Y膜的变化，其中含有0.1-100％氢的Ar检测为10⁵Pa。当胶片检测0.1％的氢的膜显示出大约8倍的增加透射率一样大的初始值，并且变化与氢浓度增加。该变化大于PD膜的Pd膜，检测100％氢，如图4（a）所示，暗示低浓度氢的灵敏度也高。用空气替代整个氢浓度后，透光率下降到相同值。甚至通过空气置换0.1％的氢气后，将YH₂形成通过X射线衍射分析证实。该结果表明，Y可以应用于氢储存材料，因为Pd / Y膜可以从低浓度的氢气氛中收集并保持氢气中的氢气。还应当指出的是，影片并没有在所有检测甲烷和异丁烷。这一事实的证据表明该传感器具有用于氢气的高选择性。图5 (b)显示了总透过率变化(ΔT)与氢气压力的关系。在约13.5％的最大透射率变化证实最高达5％的氢气。因此，在暴露于氢气期间，可测量的氢含量的上限为500秒。该结果类似于YH的压力等温线组成_x在β-γ共存在相区[7]。

图6示出了覆盖有20nm的Pd膜和由Hamagami [10]研究作为总的膜厚度的函数的钯膜在Y膜的灵敏度。灵敏度被定义为通过在空气除以氢透射强度由所获得的数目。y膜的厚度变化从20纳米至150纳米。所述的Pd / Y薄膜的灵敏度与Y薄膜厚度的增加显着增加，如图6（a）所示。

Pd膜的敏感性也略微增加，厚度如图6（b）所示。相对厚的Pd膜具有的问题，即膜暴露于由于水疱形成[11]氢后剥离基板。然而，覆盖有20nm的Pd膜的厚ÿ膜（即使使用150nm厚）没有完全剥离。据证实，在钯/ Y薄膜不仅具有高灵敏度而且高可靠性的很大的优势。

结论

开发了由覆盖有薄PD膜的Y薄膜组成的光学读取的氢传感器。将Pd / Y薄膜指示透射率的显着增加至约17倍大，在10与检测100％的氢气的初始值⁵Pa。该变化发生在8秒内，比Huberts报告的要快得多et al。[6]。该传感器具有在室温下与氢的检测的快速响应。此外，传感器表现出透射率约8倍的显着增加，即使与检测0.1％的氢气。Pd/Y薄膜的这些灵敏度远远高于之前报道的Pd基氢传感器[3]。接触氢后，透射率的变化是恒定的。在重复感测的情况下，被设置在传感器的一个极好的再现性。此外，在暴露于氢后，用20nm Pd膜覆盖的相对厚的y薄膜未剥离基材。将Pd / Y薄膜显示出巨大的优势不仅高灵敏度而且高可靠性。

致谢

本研究得到了日本文部科学省科学研究计划(No. 13305060)和21世纪COE计划“超功能杂交欧洲杯线上买球材料的创造与国际研究教育中心的形成”的部分资助。欧洲杯足球竞彩

参考

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2。T. Seiyama和S.香川，“研究检测器，用于使用半导电性薄膜的气态组分”，肛门。化学,38.（1966）1069至1073年。

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5。J. Hamagami，Y.噢，Y.渡边和M.高田，“一种光学可检测的H的制备和表征₂气体传感器由PD / MOO组成_3.薄膜“，传感器和执行器B，13-14（1993）281-283。

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11.J. Hamagami，Y.Imai，B. Huybrechts和M. Takata，传感器和执行器B，待发表。

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