Metamaterial for Hydrogen Sensing

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作者
Takaaki Beni,Naoki Yamasaku,Takuma Kurotsu,Naoki To,Shinji Okazaki,Taro Arakawa,Armandas Balčytis,Gediminas Seniutinas,Saulius Juodkazis,Yoshiaki Nishijima
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
卷期号:4 (9): 2389-2394 被引量:43
标识
DOI:10.1021/acssensors.9b00980
摘要

A hydrogen sensor based on plasmonic metasurfaces is demonstrated to exhibit the industry-required 10 s reaction time and sensitivity. It consists of a layer of either Y or WO3 sandwiched between a top Pd nanodisk and a Au mirror at the base. The phase change layer (Y, WO3) reacts with hydrogen, and the corresponding change of the refractive index (permittivity) is detected by the spectral shift of the resonance dip in reflectance at the IR spectral window. This direct reflectance readout of the permittivity change due to hydrogen uptake is fast and is facilitated by radiation field enhancement extending into the phase change volume. Numerical modeling was used to elucidate the effects that real and imaginary parts of the refractive index exert on the spectral shifts of resonance. The mechanism of sensor performance is outlined, and a possibility to tune its spectral range of operation by the diameter of the Pd nanodisk and thickness of the phase change material makes this design applicable to other molecular detection applications including surface-enhanced IR absorption.
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