Исследование оптического отклика газочувствительных материалов и создание оптических газовых сенсоров (этап 3, заключительный)

В рамках проекта получен ряд ключевых результатов, позволивших создать оптический газовый сенсор водорода на основе резонансной наноструктуры. (1) Разработан и изготовлен оптический газовый сенсор влажности на основе гибридной плазмон-волноводной моды в схеме типа Кречманна. Проведены измерения оптического отклика структуры при различных уровнях влажности. 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. (2) Для создания оптического сенсора водорода изучены оптические свойства газочувствительного материала – триоксида вольфрама (WO3), а также ультратонких каталитических пленок палладия и платины. Из спектров пропускания и эллипсометрии получены спектральные зависимости диэлектрической проницаемости, которые в результате опубликованы в библиотеке оптических данных refractiveindex.info. (3) В качестве пробного варианта газового сенсора изготовлена трёхслойная структура Au/WO3/Pt, работающая в конфигурации Кречманна. Продемонстрирован предел детектирования 40 ppm (0,004 об.%) водорода. Определена временная зависимость диэлектрической проницаемости WO3, определён коэффициент диффузии водорода в слой WO3. (4) Разработан и изготовлен оптический сенсор водорода на основе резонансной наноструктуры в виде диэлектрической решетки Al2O3, газохромного оксида WO3 и катализатора Pd. В изготовленной структуре толщина каталитической пленки Pd составляла всего 1 нм, что позволяло значительно уменьшить оптическое поглощение. Резонанс управляемой моды с высокой добротностью наблюдался в спектре пропускания при нормальном падении и использовался для обнаружения водорода. Спектры измерены при 0–0,12 % водорода в синтетическом воздухе (80 % N2 и 20 % O2). Отклик сенсора был обработан с помощью анализа основных компонентов (PCA), который эффективно выполняет усреднение шумов. Влияние температуры и влажности было измерено и обработано с помощью PCA, при этом продемонстрирована возможность исключения влияния влажности и температуры. Наблюдалась квадратично-корневая зависимость отклика сенсора от концентрации водорода (закон Зиверта). Построена калибровочная кривая сенсора и определено разрешение сенсора, равное 40 ppm. Исследована долговременная стабильность сенсора. В частности, было показано, что датчик сохраняет свою работоспособность после полугода и десятков актов взаимодействия с газом.