【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所納米材料與器件技術(shù)研究部在電學(xué)-譜學(xué)雙模監(jiān)測氣體傳感器的創(chuàng)新設(shè)計與可控制造方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Functional Materials上。
傳感器是構(gòu)成現(xiàn)代科技和工程系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件。半導(dǎo)體電導(dǎo)型氣體傳感器具有高靈敏、快響應(yīng)和易集成等優(yōu)點，可以通過實時監(jiān)測環(huán)境中的特征氣體，實現(xiàn)對潛在風(fēng)險或事件的及時診斷和預(yù)警。然而，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體傳感器通常僅能提供單一的電學(xué)信號，這在復(fù)雜體系中往往無法實現(xiàn)目標(biāo)分子的精確識別，從而限制了其應(yīng)用范圍，主要局限于危險氣體的泄露報警。因此，通過融合現(xiàn)有半導(dǎo)體傳感器與多傳感技術(shù)，提升傳感器的精準(zhǔn)識別能力，有望為多個領(lǐng)域如環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診療、工業(yè)自動化和國防安保等提供革命性的解決方案，進(jìn)一步推動傳感器行業(yè)的發(fā)展。
鑒于此，固體所研究人員充分利用了半導(dǎo)體電學(xué)傳感器的實時監(jiān)測優(yōu)勢和貴金屬表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)的指紋識別能力，創(chuàng)新性地提出了將這兩種技術(shù)高效結(jié)合的雙模敏感新思路。通過“電學(xué)響應(yīng)”觸發(fā)“譜學(xué)識別”，旨在通過一個器件實現(xiàn)對目標(biāo)氣體的實時監(jiān)測與精準(zhǔn)識別。
研究人員設(shè)計了新型的疊層復(fù)合陣列敏感結(jié)構(gòu)，通過敏感單元界面自組裝策略，先后將貴金屬結(jié)構(gòu)陣列和氧化物多孔薄膜定向定域加載在器件基底表面：表層的Ni摻雜SnO2薄膜具有多孔碗狀結(jié)構(gòu)，氣流經(jīng)過表面時的渦流效應(yīng)可以高效誘捕和限域目標(biāo)分子，并通過表面氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生實時的電學(xué)響應(yīng)；底層的金納米陣列則富含物理增強(qiáng)“熱點”，激光輻照下可以獲得限域目標(biāo)分子的SERS光譜，進(jìn)而實現(xiàn)精準(zhǔn)識別。
以苯乙烯為目標(biāo)物進(jìn)行測試，雙模傳感器成功實現(xiàn)了10 ppb的超低電學(xué)監(jiān)測檢測限，能在數(shù)秒內(nèi)快速響應(yīng)和恢復(fù)。結(jié)合SERS光譜技術(shù)，傳感器還能精確識別和同時監(jiān)測多種揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)，如甲苯、1-十二烷硫醇、乙醇、苯甲醛、二甲苯和硝基苯等。
此外，基于界面自組裝的疊層構(gòu)筑技術(shù)不僅允許對敏感單元進(jìn)行按需精準(zhǔn)調(diào)控，還與現(xiàn)有的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)微納加工工藝高度兼容，便于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。這一技術(shù)突破有望為高性能傳感器的創(chuàng)新設(shè)計和融合制造提供堅實的材料基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、山東省創(chuàng)新能力提升工程項目、合肥物質(zhì)院院長基金等項目的支持。
圖1. 半導(dǎo)體-貴金屬疊層陣列結(jié)構(gòu)傳感器的設(shè)計、制備和表征。
圖2. 雙模傳感器表層的微納碗狀結(jié)構(gòu)可以高效誘捕和限域目標(biāo)分子，進(jìn)而增強(qiáng)其電學(xué)響應(yīng)和SERS敏感性能。
圖3. 以VOCs為代表性目標(biāo)氣體，進(jìn)行電學(xué)實時監(jiān)測和SERS譜學(xué)精準(zhǔn)識別雙模敏感性能驗證。
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