单晶钯纳米线与氢气作用的动力学过程研究

Study of the interaction of palladium with hydrogen gas is a very attractive issue to heterogeneous catalysis and metal physics, and has great value in theory study and technical applications. Based on the high-efficient evanescent coupling technique and the significantly enhanced interaction between the light and the nanowire waveguide, in this project we propose study the dynamics in interaction of single-crystal palladium nanowire with hydrogen gas using the propagation surface plasmon polaritons (SPPs). Combining the advantages of the sub-wavelength confinement and surface enhancement of the propagation property of SPPs，here our proposed approach uses high-precision spectral analysis technique, and show the possibility to realize detection with advantages of high sensitivity, high resolution, fast response, large dynamic range, and low-power consumption. Meanwhile, when exposed to hydrogen gas, single-crystal palladium nanowires will experience phase change from the metallic state (α) to the hydrogenide state (β). Therefore, we will use the transient optical technique to study the dynamics of phase change. Our results will bring great importance to discover new effects and new physical principle in the palladium-hydrogen interaction . In addition, our research approach is suited to standard optical fiber communication, and show the possibility to develop palladium-nanowire based new plasmonic devices such as logical switch and memory.

研究钯与氢气相互作用是多相催化与金属物理学广泛感兴趣的课题，具有重要的理论和应用价值。本项目基于光学纳米线中实现的高效率倏逝波耦合技术及光与纳米线波导的相互作用增强的特性，提出利用传导型表面等离子激元手段，研究单晶钯纳米线波导与氢气相互作用的动力学过程的设想。该方案结合表面等离子激元亚波长约束和表面增强的传输特性，利用精密光谱分析技术可以对钯与氢气相互作用过程的实现高灵敏度和高分辨率、快响应、大动态范围和低功耗的检测。同时，由于钯纳米线的单晶结构，其与氢气作用发生的过程中会表现出较好的协同性。我们将采用瞬态探测技术对其中的相变动力学过程，即从金属态（α）转化为氢化物态（β），进行研究。研究结果对于发现钯与氢气相互作用的新现象或新物理机理有重要意义。另外该研究方案适合于标准光纤通信系统，有希望发展基于钯纳米线的新型表面等离子体激元的器件如逻辑开关和存储器等。

研究钯与氢气相互作用是多相催化与金属物理学广泛感兴趣的课题，具有重要的理论和应用价值。本项目基于光学纳米线中实现的高效率倏逝波耦合技术及光与纳米线波导的相互作用增强的特性，提出利用传导型表面等离子激元手段，研究单晶钯纳米线波导与氢气相互作用的动力学过程的设想。该方案结合表面等离子激元亚波长约束和表面增强的传输特性，利用精密光谱分析技术可以对钯与氢气相互作用过程的实现高灵敏度和高分辨率、快响应、大动态范围和低功耗的检测。光透过率最大变化值在3.6%的度时达到11 dB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。同时，由于钯纳米线的单晶结构，其与氢气作用发生的过程中会表现出较好的协同性。利用单晶钯金合金纳米线作为等离子激元的波导，我们把纳米线与氧化硅微光纤集成制作完成了复合型光子和等离子基元的光纤马赫泽德干涉仪。这种复合型的马赫泽德干涉仪对氢气表现出比单根纳米线传感器更高的灵敏度。可以很清楚地分辨0.5%乃至更低浓度的氢气。另外我们使用简单的光照射方法证明了自由空间光可以通过纳米天线高效率地耦合到微光纤回音壁微腔里面。在可见光622.7nm处获得半宽3.2nm的窄带光谱，这是迄今为止，国际上关于钯纳米颗粒报道中的最窄半宽光谱。用获得的超窄共振峰，可以很明显的分辨钯纳米棒对氢气的反应，大大提高了探测灵敏度。研究结果对于发现钯与氢气相互作用的新现象或新物理机理有重要意义。另外该研究方案适合于标准光纤通信系统，有希望发展基于钯纳米线的新型表面等离子体激元的器件如逻辑开关和存储器等。