Optical properties of palladium gold alloy thin films and modeling of their use in hydrogen sensors

Abstract

Denne masteroppgaven omhandler bruk av metalltynnfilmer i optiske overflateplasmonbaserte hydrogensensorer. Metallisk palladium er unikt i at det både kan absorbere og frigjøre hydrogen fra og til atmosfæren under normale forhold. Dette fører til en endring i den optiske brytningsindeksen, og gjør det til et ideelt materiale til bruk i hydrogensensorer. Et antall tynnfilmer av palladium-gullegeringer ble produsert ved hjelp av en simultansprutdeponeringsprosess der legeringsforhold og filmtykkelse ble variert. Filmtykkelsene ble målt med et nålprofilometer og et optisk fasescanninterferometer, ruheten ble målt med fasescanninterferometeret og med et atomkraftmikroskop, legeringsforholdene ble målt med energidispersiv røntgenspektroskopi og brytningsindeksspektrene ble målt med ellipsometri. Dette har resultert i et omfattende datagrunnlag for videre utvikling av overflateplasmonbaserte hydrogensensorer med tynnfilmstrukturer produsert ved hjelp av prosessene benyttet i denne oppgaven.

Det ble dessuten utviklet en programvarepakke som ble benyttet til å simulere hvordan forskjellige designparametere og forhold påvirket fire nøkkelmåltall knyttet til overflateplasmoner i stablede tynnfilmstrukturer. Flere simuleringer ble gjennomført basert på målingene gjort som en del av denne oppgaven, med fokus på effekten av legeringsforhold, filmtykkelse og ruhet på sensitivitet og spesifisitet i overflateplasmonsignaler. Arbeidet resulterte i et fundament for videre arbeid, både teoretisk og praktisk, med det overordnede hydrogensensorprosjektet denne oppgaven er en del av.

This thesis focuses on the use of metal thin films in optical surface plasmon based hydrogen sensors. Palladium is unique in that it can both absorb and release hydrogen under normal atmospheric conditions, changing its optical refractive index, thereby making it an ideal material for hydrogen sensors. Several thin-films of different palladium gold alloys have been manufactured using co-sputtering, where the alloying ratios and film thicknesses were varied. The thickness of the samples was measured using a stylus profilometer and a 3D optical profilometer using optical phase interferometry scanning, the roughness was measured using optical phase interferometry scanning and atomic force microscopy, the alloying ratios were measured using energy dispersive spectroscopy and the refractive index spectra were measured using ellipsometry. This has provided an extensive dataset for further development of surface plasmon based hydrogen sensors produced using the processing steps investigated here.

In addition, a software package was built and used to simulate the effects of different design parameters and conditions upon four key figures of merit for plasmons in layered thin film structures. Several simulations were run using the material parameters acquired as part of this project, yielding information on the effects of alloying ratio, film thickness and film roughness on sensor sensitivity and precision. This provides a fundament for further work, both theoretical and practical, on the hydrogen sensor project of which this thesis is part.