新型氢敏传感器薄膜纳米缝阵列的激光定域诱导成形工艺

氢能源因其清洁高效和可循环的特点，预示了革命性的应用前景。由于氢在空气中可燃临界浓度低，其防泄、防燃和防爆问题显得极其突出，因此有必要建立高灵敏、高可靠性的氢探测方法。基于金属薄膜纳米缝的氢敏传感器具有超高灵敏度、超快响应、测量范围可调控等优点，被认为是理想的氢传感器原理之一。而阵列化纳米缝的精确和高效制造则是这类氢传感器获得工业应用的关键。本项目基于高分子材料的光致膨胀原理，提出以高分子的定域膨胀实现薄膜纳米缝的开裂成形、通过隧道电流的实时监测实现纳米缝尺度的工艺原位控制、以激光逐域扫描实现纳米缝的阵列化等创新思路，发展一种原创性的氢敏传感器件和制造技术。拟通过对高分子材料的光致膨胀规律、薄膜局部应力集中诱导的断裂机理分析，研究纳米缝阵列的激光诱导成形工艺诸影响要素；拟研究纳米缝尺度对传感器特性的影响规律和高分子/钯薄膜体系的氢化伸展特性，探讨通过多级纳米缝实现大量程及高灵敏氢传感的途径

纳米间隙电极在显示领域和传感器领域具有广泛的应用前景，其中以钯作为电极材料的纳米间隙电极可以实现高灵敏度的氢气传感，传统的纳米级电极制造技术如浸没式投影光刻、电子束光刻及离子束刻蚀等技术需要昂贵的设备，且制造效率低，不适用于大面积制造。本项目提出两种纳米间隙电极的大面积制造技术，利用结构化图案及金属薄膜膨胀为金属电极膨胀提供应力来源，实现了金属薄膜的可控断裂。通过研究金属薄膜成形过程，金属薄膜的膨胀特性、纳米间隙电极尺寸及形状的精确控制及基于纳米间隙电极的氢气传感器制备等研究，本项目实现了基于纳米间隙电极的氢气传感器的大面积，低成本，高一致性的制造。.项目的主要创新点及其主要研究进展如下：.1、研究了通过激光照射金属薄膜制备纳米间隙电极的制造技术，实现了纳米间隙电极的大面积制备。通过激光对金属薄膜靠近衬底一侧进行加热，使该处金属气化，诱导上层金属薄膜开裂从而制备出纳米间隙电极。.2、开展了聚合物的光致膨胀制备纳米间隙电极研究。首先探索了光致膨胀的机理并通过甲基红掺杂PMMA实现光致膨胀材料调制；实验中研究了飞秒激光脉冲作用下，激光脉冲能量密度对膨胀结构尺寸的影响，并通过调整加工参数控制聚合物的膨胀；采用聚合物的激光膨胀作为应力来源，实现了纳米间隙电极的可控断裂。.3、建立了纳米间隙电极氢激活制造的新方法。针对钯金属材料的特性，研究了氢气作用下金属钯材料的线性膨胀特性，并采用表面结构化在金属薄膜内引入应力集中，实现膨胀条件下金属薄膜的可控断裂。在此基础上，本项目进一步探索了工艺参数对纳米间隙电极尺度的影响，实验结果表明降低薄膜厚度和循环次数可以降低电极的成形尺度。通过控制工艺参数，本项目实现了50-200 nm间隙电极的制造，并实现了多种形状的纳米间隙电极的并行制造。.4、利用纳米间隙电极制造了氢气传感器。氢气测试结果显示传感器具有优秀的传感性能，传感器的响应时间和回复时间的平均值分别为20 s和27.4 s，峰值电流约为3 mA，可见氢气传感器具有非常快的响应和恢复速度及极高的响应电流。.在项目开展过程中，共发表SCI 检索期刊论文16篇；申请国家发明专利3项。目前仍有博士生3名从事此课题研究。