二氧化硫监测的光纤传感方法研究

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光　子　学　报37卷

的H而形成Si2F键;当硅原子形成两个Si2F键,就

有一个氢分子放出;由于Si2F键的极化作用,Si2Si骨架上的电荷密度降低,使该硅原子与骨架相连的Si2Si键容易被F 断开,最终形成一个SiF4分子游离出去[11212]

1

则KS=整理可得

=-[F][Q][F][Q][Q]

=1+KS[Q][F]

该方程即为Stern2Volmer方程1式中[F0]、

[F]分别表示多孔硅猝灭前后荧光峰强度,[Q]为

SO2浓度,KS为Stern2Volmer常量1

分析上述过程表明,只要测得多孔硅猝灭前的光致发光峰强度[F0],以及与SO2接触后多孔硅光致发光峰强度[F],通过Stern2Volmer方程便可以获取SO2含量信息,实现SO2光纤传感过程1

2　氧化多孔硅制备与化学组成

图1　n型单晶硅的典型I2V曲线

Fig.1　TypicalI2Vcurvesforn2typesilicon

2.1　新鲜多孔硅制备与UV光化学氧化

由于硅原子被溶解,界面向单晶硅内部扩散,从

而改变该处外电场分布,有利于空穴向表面延伸,从而使单晶硅不断溶解,孔开始形成;对于孔穴底部,电子、空穴的势能分布遵从半导体/规律,空穴可以源源不断的到达孔底,子不断溶解;随着孔的生长米量级的硅量子线,使硅量子线中的带隙展宽,,不利于空穴到达孔壁,使硅量子线溶解自动停止,出现孔壁“钝化”现象,而此时只有孔底优先生长,最后形成具有高比表面积的多孔硅11.2　多孔硅SO2光纤传感原理分析

自LED发出的蓝光经6根Φ400μm的入射光纤将光射向多孔硅表面,多孔硅受蓝光激发后产生光致发光;通过R40027发射探头中心的Φ400μm接收光纤将多孔硅发出的光致发光(或荧光)导入并传导至微型光纤光谱仪,进而通过软件分析多孔硅的光致发光谱变化的信息1

当SO2气体与传感器探头中的多孔硅接触时,多孔硅与SO2分子间形成非荧光复合物,发生荧光猝灭过程,

其反应如下

选用单面抛光的掺pn型单晶硅片(晶面方向(100)5cm)作为基底,依次用,然后采用3H222∶H2O=1∶1∶5(体积比)和H2O2∶H2O=1∶1∶5混合液分别处理5min;将清洗后的单晶硅片装配到单槽阳极氧化电

解池[12]中作阳极,铂网作阴极,电解液为HF(40%)∶C2H5OH=1∶1(体积比),阳极氧化时间18min,电流密度0.5mA mm-2,反应过程中同时采用与阳极相距350mm的300W碘钨灯照射,以增大反应速度1

反应完成后,用蒸馏水、无水乙醇仔细清洗电解池和多孔硅,加入适量的HCl(3%)∶C2H5OH=1∶1(体积比)混合液,在125W高压汞灯照射下,

光化学氧化45min,经无水乙醇清洗、N2干燥,即可获得稳定化处理的氧化多孔硅1上述实验所用化学药品均为MOS级试剂12.2　氧化多孔硅的化学组成

采用5DXC傅里叶红外光谱仪(FT2IR,美国Nicolet公司)对多孔硅稳定化处理前后的表面进行分析,条件为入射角45°,反射,测试范围400～4000cm-1,分辨率4cm-1,结果如图21分析各振

动峰的归属可以发现:曲线a和曲线b中波数为2114cm-1、2090cm-1吸收峰分别属于Si2H2SiH、Si32SiH中的Si2H键伸缩振动峰;曲线a和曲线b

式中F为多孔硅,Q为SO2分子,F2Q为非荧光复

合物,E激发,R辐射跃迁,NR非辐射跃迁1

根据化学动力学原理

KS=

[F][Q]

中波数为908cm-1附近的谱峰归属于Si2H2面内弯曲振动峰;曲线a和曲线b中波数为2196cm-1附近的吸收峰归属于SiO22SiH中Si2H键伸缩振动峰;曲线a和曲线b中波数为671cm-1附近的吸收峰与Si2H键左右摇摆运动有关1除上述吸收峰外,曲线a中还产生与O2SiO中Si2O键伸缩振动有关的吸收峰(波数为1114cm-1),表明新鲜制备的n

由物料平衡条件

[F0]=[F]+[F-Q]