科学岛团队在电学-谱学双模敏感材料及传感器件研究方面取得新进展

2024/4/28 13:16:32 18296: 来源：合肥物质科学研究院作者：卢岩岩

摘要：传感器是构成现代科技和工程系统的关键核心部件。半导体电导型气体传感器具有高灵敏、快响应和易集成等优点，可以通过实时监测环境中的特征气体，实现对潜在风险或事件的及时诊断和预警。

　　【仪表网研发快讯】近期，中国科学院合肥物质院固体所纳米材料与器件技术研究部在电学-谱学双模监测气体传感器的创新设计与可控制造方面取得新进展，相关研究成果发表在Advanced Functional Materials上。

　　传感器是构成现代科技和工程系统的关键核心部件。半导体电导型气体传感器具有高灵敏、快响应和易集成等优点，可以通过实时监测环境中的特征气体，实现对潜在风险或事件的及时诊断和预警。然而，传统的半导体传感器通常仅能提供单一的电学信号，这在复杂体系中往往无法实现目标分子的精确识别，从而限制了其应用范围，主要局限于危险气体的泄露报警。因此，通过融合现有半导体传感器与多传感技术，提升传感器的精准识别能力，有望为多个领域如环境监测、医疗诊疗、工业自动化和国防安保等提供革命性的解决方案，进一步推动传感器行业的发展。

　　鉴于此，固体所研究人员充分利用了半导体电学传感器的实时监测优势和贵金属表面增强拉曼光谱(SERS)的指纹识别能力，创新性地提出了将这两种技术高效结合的双模敏感新思路。通过“电学响应”触发“谱学识别”，旨在通过一个器件实现对目标气体的实时监测与精准识别。

　　研究人员设计了新型的叠层复合阵列敏感结构，通过敏感单元界面自组装策略，先后将贵金属结构阵列和氧化物多孔薄膜定向定域加载在器件基底表面：表层的Ni掺杂SnO2薄膜具有多孔碗状结构，气流经过表面时的涡流效应可以高效诱捕和限域目标分子，并通过表面氧化还原反应产生实时的电学响应；底层的金纳米阵列则富含物理增强“热点”，激光辐照下可以获得限域目标分子的SERS光谱，进而实现精准识别。

　　以苯乙烯为目标物进行测试，双模传感器成功实现了10 ppb的超低电学监测检测限，能在数秒内快速响应和恢复。结合SERS光谱技术，传感器还能精确识别和同时监测多种挥发性有机化合物(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，基于界面自组装的叠层构筑技术不仅允许对敏感单元进行按需精准调控，还与现有的微机电系统(MEMS)微纳加工工艺高度兼容，便于实现批量化生产。这一技术突破有望为高性能传感器的创新设计和融合制造提供坚实的材料基础和技术支撑。

　　上述工作得到了国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、山东省创新能力提升工程项目、合肥物质院院长基金等项目的支持。

图1. 半导体-贵金属叠层阵列结构传感器的设计、制备和表征。

　　图2. 双模传感器表层的微纳碗状结构可以高效诱捕和限域目标分子，进而增强其电学响应和SERS敏感性能。

　　图3. 以VOCs为代表性目标气体，进行电学实时监测和SERS谱学精准识别双模敏感性能验证。