Исследование оптических спектров пропускания тонких пленок палладия различной морфологии и структуры в условиях воздействия водорода
https://doi.org/10.26907/2541-7746.2026.2.357-371
Аннотация
В работе представлены результаты синтеза и исследований пленок палладия, предназначенных для работы в сенсорах водорода. Тонкие пленки палладия номинальной толщины 10 нм и различной морфологии и структуры были выращены методом молекулярно-пучкового осаждения: на подложке MgO(001) – гладкая эпитаксиальная пленка, на подложке Al2O3(0001) – гранулярная поликристаллическая и островковая пленки. Кристаллическая структура пленок исследовалась in situ с помощью дифракции медленных электронов. Морфология поверхности пленок была получена ex situ с применением атомно-силовой микроскопии. Выяснилось кардинальное отличие реакции оптического поглощения на нагружение водородом сплошных и островковой пленок в интервале длин волн 300–2500 нм: спектрально почти однородная для сплошных и знакопеременная для островковых пленок. Модуль максимального относительного изменения оптического пропускания лежит в интервале 9–16 %, что делает тонкие пленки палладия различных морфологий перспективными для конструирования оптоэлектронных сенсоров водорода.
Ключевые слова
пленки палладия,
монокристаллическая пленка,
поликристаллическая пленка,
островковая пленка,
оптический коэффициент пропускания,
влияние водорода на оптические свойства
При поддержке: Работа выполнена за счет предоставленного в 2025 году Фондом науки и технологий Республики Татарстан гранта № 35 на осуществление фундаментальных и прикладных научных работ в научных и образовательных организациях, предприятиях и организациях реального сектора экономики Республики Татарстан
Об авторах
И. В. Янилкин
Казанский (Приволжский) федеральный университет
Россия
Россия
Игорь Витальевич Янилкин - кандидат технических наук, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники им. С.А. Альтшулера, Институт физики.
Казань
А. В. Петров
Казанский (Приволжский) федеральный университет
Россия
Россия
Андрей Вячеславович Петров - .кандидат физико-математических наук, научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники им. С.А. Альтшулера, Институт физики.
Казань
А. И. Гумаров
Казанский (Приволжский) федеральный университет
Россия
Россия
Амир Илдусович Гумаров - старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники им. С.А. Альтшулера, Институт физики.
Казань
А. М. Рогов
Казанский (Приволжский) федеральный университет
Россия
Россия
Алексей Михайлович Рогов - инженер научно-исследовательской лаборатории «Внутрипластовое горение».
Казань
Б. Р. Буляков
Казанский (Приволжский) федеральный университет; Институт прикладных исследований, Академия наук Республики Татарстан
Россия
Россия
Булат Ринатович Буляков - научный сотрудник лаборатории новых материалов и перспективных технологий, Институт прикладных исследований, Академия наук Республики Татарстан; аспирант, Институт физики, Казанский ( Приволжский) ФУ.
Казань
Р. В. Юсупов
Казанский (Приволжский) федеральный университет
Россия
Россия
Роман Валерьевич Юсупов - кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой квантовой электроники и радиоспектроскопии, Институт физики.
Казань
Л. Р. Тагиров
Институт прикладных исследований, Академия наук Республики Татарстан; Казанский физико-технический институт ФИЦ КазНЦ РАН
Россия
Россия
Ленар Рафгатович Тагиров - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского ФИЦ «Казанский научный центр Российской академии наук»; заведующий лабораторией новых материалов и перспективных технологий, Институт прикладных исследований, Академия наук Республики Татарстан.
Казань
Список литературы
1. Яруллин Р.С., Угрюмов О.В., Васюков С.И., Ткачева В.Э. Водород – топливо будущего: аналитический обзор. Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2018. 544 с. URL: https://dspace.kpfu.ru/xmlui/viewer?file=163354;vodorod-toplivo-buduschego.pdf.
2. Митрова Т., Мельников Ю., Чугунов Д. Водородная экономика – путь к низкоуглеродному развитию. М.: Сколково, 2019. 62 с. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.15540.91524.
3. Hu¨bert T., Boon-Brett L., Black G., Banach U. Hydrogen sensors – a review // Sens. Actuators, B. 2011. V. 157, No 2. P. 329–352. https://doi.org/10.1016/j.snb.2011.04.070.
4. Luo Y., Zhang C., Zheng B., Geng X., Debliquy M. Hydrogen sensors based on noble metal doped metal-oxide semiconductor: A review // Int. J. Hydrogen Energy. 2017. V. 42, No 31. P. 20386–20397. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.06.066.
5. Hu¨bert T., Boon-Brett L., Buttner W. Sensors for Safety and Process Control in Hydrogen Technologies. Boca Raton, FL: CRC Press, 2016. 413 p. https://doi.org/10.1201/b19141.
6. Ilnicka A., Lukaszewicz J.P. Graphene-based hydrogen gas sensors: A review // Processes. 2020. V. 8, No 5. Art. 633. https://doi.org/10.3390/pr8050633.
7. Wang G., Dai J., Yang M. Fiber-optic hydrogen sensors: A review // IEEE Sens. J. 2020. V. 21, No 11. P. 12706–12718. https://doi.org/10.1109/JSEN.2020.3029519.
8. Салихов Х.М. Оптоэлектронные сенсоры водорода на основе диодов Шоттки на кремнии и гетероструктурах полупроводников А3В5. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. 101 с.
9. Kafil V., Sreenan B., Hadj-Nacer M., Wang Y., Yoon J., Greiner M., Chu P., Wang X., Fadali M.S., Zhu X. Review of noble metal and metal-oxide-semiconductor based chemiresistive hydrogen sensors // Sens. Actuators, A. 2024. V. 373. Art. 115440. https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115440.
10. Toksha B., Gupta P., Rahaman M. Hydrogen sensing with palladium-based materials: Mechanisms, challenges, and opportunities // Chem. – Asian J. 2024. V. 19, No 16. Art. e202400127. https://doi.org/10.1002/asia.202400127.
11. Mohan G., Gopakumar N.N., Hsu M.-H., Chu Y.-R., Lin W.-C. Hydrogen-modulated magnetism in palladium-based nanostructures for sensing and reversible control of spintronic devices // J. Phys.: Mater. 2025. V. 8, No 4. Art. 042003. https://doi.org/10.1088/2515-7639/ae1062.
12. Lewis F.A. The Palladium Hydrogen System. London, New York, NY: Acad. Press, 1967. xii, 178 p.
13. Darmadi I., Nugroho F.A.A., Langhammer C. High-performance nanostructured palladium-based hydrogen sensors—current limitations and strategies for their mitigation // ACS Sens. 2020. V. 5, No 11. P. 3306–3327. https://doi.org/10.1021/acssensors.0c02019.
14. Wang B., Sun L., Schneider-Ramelow M., Lang K.-D., Ngo H.-D. Recent advances and challenges of nanomaterials-based hydrogen sensors // Micromachines. 2021. V. 12, No 11. Art. 1429. https://doi.org/10.3390/mi12111429.
15. Krishna Kumar M., Ramachandra Rao M.S., Ramaprabhu S. Structural, morphological and hydrogen sensing studies on pulsed laser deposited nanostructured palladium thin films // J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. V. 39, No 13. P. 2791–2795. https://doi.org/10.1088/0022-3727/39/13/023.
16. RaviPrakash J., McDaniel A.H., Horn M., Pilione L., Sunal P., Messier R., McGrath R.T., Schweighardt F.K. Hydrogen sensors: Role of palladium thin film morphology // Sens. Actuators, B. 2007. V. 120, No 2. P. 439–446. https://doi.org/10.1016/j.snb.2006.02.050.
17. Noh H.-J., Kim H.-J., Park Y.M., Park J.-S., Lee H.-N. Complex behavior of hydrogen sensor using nanoporous palladium film prepared by evaporation // Appl. Surf. Sci. 2019. V. 480. P. 52–56. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.02.088.
18. Hu Y., Lei J., Wang Z., Yang S., Luo X., Zhang G., Chen W., Gu H. Rapid response hydrogen sensor based on nanoporous Pd thin films // Int. J. Hydrogen Energy. 2016. V. 41, No 25. P. 10986–10990. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.04.101.
19. Jiao Y., Chen W., Qiaogen Z., Pei Z., Feng L., Cao P. Grain structure regulation: A novel approach to enhance the sensitivity and baseline stability of palladium thin film resistive hydrogen sensors // Int. J. Hydrogen Energy. 2025. V. 143. P. 276–285. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.06.005.
20. Sousanis A., Biskos G. Thin film and nanostructured Pd-based materials for optical H 2 sensors: A review // Nanomaterials. 2021. V. 11, No 11. Art. 3100. https://doi.org/10.3390/nano11113100.
21. Shen C., Xie Z., Huang Z., Yan S., Sui W., Zhou J., Wang Z., Han W., Zeng X. Review of the status and prospects of fiber optic hydrogen sensing technology // Chemosensors. 2023. V. 11, No 9. Art. 473. https://doi.org/10.3390/chemosensors11090473.
22. Шутаев В.А., Гребенщикова Е.А, Матвеев В.А., Губанова Н.Н., Яковлев Ю.П. Кинетика изменения оптической прозрачности нанопленок палладия при взаимодействии с водородом // Оптика и спектроскопия. 2023. Т. 131, № 3. С. 419–423. https://doi.org/10.21883/OS.2023.03.55393.4368-22.
23. Avila J.I., Matelon R.J., Trabol R., Favre M., Lederman D., Volkmann U.G., Cabrera A.L. Optical properties of Pd thin films exposed to hydrogen studied by transmittance and reflectance spectroscopy // J. Appl. Phys. 2010. V. 107, No 2. Art. 023504. http://dx.doi.org/10.1063/1.3272047.
24. Шутаев В.А., Гребенщикова Е.А., Сидоров В.Г., Яковлев Ю.П. Влияние водорода на оптическую прозрачность слоев палладия // Оптика и спектроскопия. 2020. Т. 128, № 5. С. 603–606. http://doi.org/10.21883/OS.2020.05.49316.276-19.
25. Шутаев В.А., Матвеев В.А., Гребенщикова Е.А., Щелоков В.Г., Яковлев Ю.П. Оптические и структурные свойства нанопленок палладия в атмосфере водорода // Оптика и спектроскопия. 2021. Т. 129, № 9. С. 1183–1187. http://doi.org/10.21883/OS.2021.09.51348.1963-21.
26. Corso A.J., Tessarolo E., Guidolin M., Gaspera E.D., Martucci A., Angiola M., Donazzan A., Pelizzio M.G. Room-temperature optical detection of hydrogen gas using palladium nano-islands // Int. J. Hydrogen Energy. 2018. V. 43, No 11. P. 5783–5792. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.01.183.
27. Bannenberg L.J., Nugroho F.A.A., Schreuders H., Norder B., Trinh T.T., Steinke N.-J., van Well A.A., Langhammer C., Dam B. Direct comparison of PdAu alloy thin films and nanoparticles upon hydrogen exposure // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019. V. 11, No 17. P. 15489–15497. https://doi.org/10.1021/acsami.8b22455.
28. Cˇ´ıˇzek J., Melikhova O., Vlˇcek M., Luk´aˇc F., Vlach M., Proch´azka I., Anward W., Brauer G., Mu¨cklich A., Wagner S., Uchida H., Pundt A. Hydrogen-induced microstructural changes of Pd films // Int. J. Hydrogen Energy. 2013. V. 38, No 27. P. 12115–12125. https://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.03.096.
29. Cˇ´ıˇzek J., Melikhova O., Vlˇcek M., Luk´aˇc F., Vlach M., Dobron P., Proch´azka I., Anward W., Brauer G., Wagner S., Uchida H., Gemma R., Pundt A. Hydrogen interaction with defects in nanocrystalline, polycrystalline and epitaxial Pd films // J. Nano Res. 2014. V. 26. P. 123–133. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/JNanoR.26.123.
30. Luk´aˇc F., Vlˇcek M., Vlach M., Wagner S., Uchida H., Pundt A., Bell A., Cˇ´ıˇzek J. Stress release during cyclic loading of 20 nm palladium films // J. Alloys Compd. 2015. V. 645, Suppl. 1. P. S450–S453. https://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.12.085.
31. Wagner T., Richter G., Ru¨hle M. Epitaxy of Pd thin films on (100) SrTiO3 : A three-step growth process // J. Appl. Phys. 2001. V. 89, No 5. P. 2606–2612. https://doi.org/10.1063/1.1338987.
32. Esmaeili A., Yanilkin I.V., Gumarov A.I., Vakhitov I.R., Gabbasov B.F., Kiiamov A.G., Rogov A.M., Osin Yu.N., Denisov A.E., Yusupov R.V., Tagirov L.R. Epitaxial growth of Pd 1−x Fex films on MgO single-crystal substrate // Thin Solid Films. 2019. V. 669. P. 338–344. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2018.11.015.
Рецензия
Для цитирования:
Янилкин И.В., Петров А.В., Гумаров А.И., Рогов А.М., Буляков Б.Р., Юсупов Р.В., Тагиров Л.Р. Исследование оптических спектров пропускания тонких пленок палладия различной морфологии и структуры в условиях воздействия водорода. Ученые записки Казанского университета. Серия Физико-математические науки. 2026;168(2):357-371. https://doi.org/10.26907/2541-7746.2026.2.357-371
For citation:
Yanilkin I.V., Petrov A.V., Gumarov A.I., Rogov A.M., Bulyakov B.R., Yusupov R.V., Tagirov L.R. Optical transmission spectra of palladium thin films with different morphologies and structures under hydrogen exposure. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki. 2026;168(2):357-371. (In Russ.) https://doi.org/10.26907/2541-7746.2026.2.357-371
Послать статью по эл. почте 