【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】中科院合肥研究院安光所激光中心方曉東研究員、孟鋼研究員團隊以WO3納米顆粒為研究對象，采用脈沖溫度調(diào)制(PTM)測試模式，使半導體氣體傳感器對NO2、H2S和VOCs的靈敏度比傳統(tǒng)恒溫測試模式提升了1-2個數(shù)量級，接近或超過現(xiàn)有化學增敏WO3傳感器的高紀錄。相關成果以“Generic approach to boost the sensitivity of metal oxide sensors by decoupling the surface charge exchange and resistance reading process”為題，發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊。
圖(a)WO3 MEMS傳感器；(b)PTM(物理)增敏結(jié)果。
靈敏度是衡量氧化物半導體氣體傳感器性能的一個重要指標，提升靈敏度是傳感器研究的焦點之一，常用的策略是增強敏感材料的表面活性，即化學增敏，實現(xiàn)方案包括形貌(尺寸、裸露晶面)控制、貴金屬修飾、(摻雜/退火/等離子處理)缺陷調(diào)控等。現(xiàn)有的化學增敏途徑雖可顯著提高材料靈敏度，但也存在不足：首先，化學增敏需要在微觀層面精細調(diào)控材料，往往需要大量的正交實驗優(yōu)化得到工藝，合成要求較高、工藝復雜；其次，不同敏感材料的晶體結(jié)構(gòu)、生長習性各不相同，更換新的材料體系時，通常需要重新摸索實驗方案，方法的普適性差。
金屬氧化物氣體傳感材料通常需要在高溫工作以產(chǎn)生足夠的活性氧(ROS)參與表面氧化還原反應，然而高溫會激發(fā)更多載流子，而且高溫測試也不利于待測氣體分子的吸附，因此，傳統(tǒng)的傳感器工作模式(恒定高溫測量模式)并沒有完全發(fā)揮傳感材料的性能。為解決上述問題，科研團隊通過解析傳感器信號的產(chǎn)生，將氣體傳感器的電學響應來源拆分為兩個界面：氣體分子與材料表面的氧化還原反應界面(第一界面)，該界面需在高溫工作以產(chǎn)生足夠的ROS；與傳感材料本身的電學性質(zhì)相關的電信號(電阻)讀出界面(第二界面)，該界面需在低溫工作以利于待測氣體分子的吸附，并降低體系的載流子濃度。在此基礎上，團隊提出利用化學吸附分子的“淬火”效應，通過脈沖溫度調(diào)制(PTM)解除兩個界面的耦合來放大傳感器的電學響應。團隊以WO3納米顆粒為研究對象，采用PTM測試模式，使傳感器對NO2、H2S和VOCs的靈敏度比傳統(tǒng)恒溫測試模式提升了1-2個數(shù)量級，接近或超過現(xiàn)有化學增敏WO3傳感器的高紀錄。PTM通過物理的方法放大傳感第二界面的電學響應，方法簡單、增敏幅度大、普適性好(對NiO基傳感器同樣適用)。
此外，采用尺寸、功耗更低的微機電系統(tǒng)(MEMS)微熱臺進行PTM測試，在提升靈敏度的同時，可將傳感器功耗進一步降低至10 mW量級，為后續(xù)高靈敏、低功耗、超微型智能分子傳感系統(tǒng)的開發(fā)奠定了堅實的基礎。
上述工作由國家自然科學基金和中科院合作等項目資助。
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