Исследование оптического отклика газочувствительных материалов и создание оптических газовых сенсоров (этап 1, промежуточный)

В последние годы наблюдается интенсивное развитие оптических газовых сенсоров. Тонкие плёнки палладия и платины так же, как и плёнки триоксида вольфрама с палладиевыми и платиновыми катализаторами, широко используются для детектирования водорода, и для разработки сенсоров необходимо знать оптические константы этих материалов. Мы сообщаем о восстановлении оптических параметров из набора эллипсометрических спектров и спектров пропускания нанесённых электронным лучом плёнок палладия, платины и триоксида вольфрама. Плёнки трикосида вольфрама имели толщину 81 нм, 162 нм и 515 нм, а плёнки металлов – 5-7 нм. Было показано, что сверхтонкие плёнки палладия и платины хорошо описываются локальной и изотропной диэлектрической проницаемостью, сильно отличающейся от известных объёмных величин. Однако данная диэлектрическая проницаемость сильно зависит от расположенных рядом материалов, и это говорит о том, что сверхтонкие металлические плёнки можно рассматривать как композиты, характеризующиеся эффективной диэлектрической проницаемостью. Для проверки полученных данных была изготовлена структура на основе газочувствительных слоев WO3/Pd и диэлектрической решётки Al2O3. Измеренные спектры пропускания этой структуры отлично согласовались с рассчитанными на основе полученных коэффициентов преломления и диэлектрических проницаемостей без применения каких-либо дополнительных процедур аппроксимации или включения поверхностной шероховатости слоёв в численные модели. Разработан и изготовлен оптический газовый сенсор влажности на основе гибридной плазмон-волноводной моды в схеме типа Кречманна. Плазмонная пленка серебра нанесена на прозрачную подложку методом электронно-лучевого напыления. Нанесение пленки влагочувствительного вещества нафиона выполнено методом спин-коутинга. Проведены измерения оптического отклика структуры при различных уровнях влажности. Наибольшая чувствительность наблюдалась для резонанса, соответствующего волноводной моде 2-го порядка слоя нафиона, гибридизированной с поверхностным плазмон-поляритоном на границе раздела Ag/нафион. Продемонстрировано применение двух методов обработки данных сенсора: метод регрессии параметров физической модели и метод нейронной сети. Показано, что нейросеть дает более чем двукратное преимущество в точности определения влажности.