光电信息学院新型传感器研究成果引起国际关注

2019-07-16 作者:科学研究   |   浏览(166)

近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所微纳技术与器件研究室的微纳气体传感器研究团队在高性能气敏器件的宏量制作及其生化战剂检测应用研究方面取得了新进展,相关研究成果已发表在国际期刊《化学通讯》和《科学报告》上。

  近年来,利用各类纳米气敏材料制作新型半导体气体传感器成为了科学家的研究热点和重点。光电子信息学院刘欢副教授研究团队与光电国家实验室唐江教授课题组合作,在国际上较早开展了胶态量子点气敏材料及其半导体气体传感器的研究,取得了一系列工作进展。

半导体氧化物电阻型薄膜气体传感器,由于其成本低廉、制作简单及使用方便等优点,在许多领域有着广泛的应用。而发展用于高端领域的质优价廉的高性能气敏器件,一直是人们所追求的目标与面临的挑战。近年来,固体所研究人员与中科院上海微系统与信息技术研究所的相关课题组合作,针对这些问题,提出了一种微纳融合的策略,将基于有机模板的微/纳结构有序多孔薄膜与基于微电子机械加工技术的微型基板相结合,成功地研制出高性能电阻型薄膜气敏器件,获得了秒级快响应、痕量检测限与10毫瓦级低功耗等优越的器件性能,相关成果发表在《科学报告》(Sci. Rep.jin2055金沙网站, 2013, 3, 1669)上。

  今年5月至10月,刘欢课题组研究人员以第一作者或通讯作者身份,先后在材料类国际顶尖杂志《先进材料》、《传感器与执行器B-化学》和《应用物理快报》等国际权威期刊上发表相关研究成果。该团队还与国外学术同行开展合作,所取得的研究成果发表在《自然•材料》上。

微/纳米结构器件的实用化,仍然是当前纳米科技研究的一大难点,主要原因是制作成本较高。为此,双方围绕着制作低成本高性能器件这一目标进行技术攻关,结合两个研究组在晶圆级MEMS加工工艺和大面积有机模板制作技术的特长,提出了一种新型的晶圆级高性能气敏器件的制作策略,即采用布满MEMS基传感芯片的硅晶圆片作为衬底,基于模板转移-溶液浸渍法,将晶圆大小的高质量有机模板转移其上,以期一次获得大量MEMS基气敏器件。科研人员进一步在实验上实现了这一策略,经一次模板转移操作,即可获得数千计的MEMS基高性能气敏器件,且器件间差异得到了有效控制,制作重复性好,极大地降低了单个气敏器件的成本,因此极具实用推广价值。相关结果近期发表在自然出版社的《科学报告》上(Sci. Rep. 2015, 5, 10507)。固体所相关科研人员为论文的共同第一作者以及共同通讯作者。

  作为目前主流气体检测仪器仪表的核心元器件和上游产品,半导体气体传感器已广泛应用于环境保护、工业过程控制、安全防爆以及医疗诊断等众多领域,在保障人身安全和改善环境质量方面发挥着不可替代的重要作用。然而,工作温度高、选择性不佳等问题仍然制约着该类气体传感器的发展。在众多新型纳米气敏材料中,胶态量子点巨大的比表面积和优良的室温成膜性能使之极具发展潜力。

众所周知,沙林毒气是一种剧毒神经毒剂,可以通过呼吸道或皮肤黏膜侵入人体,杀伤力极强,其易挥发,靠自然蒸发就可以达到战斗浓度,一旦散发出来,可以使数公里范围内的人中毒,甚至死亡。当前,如何快速简便检测沙林等神经毒气是人们亟待解决的问题。基于上述MEMS基高性能气敏器件,科研人员与解放军防化学院相关研究组合作,探索了该器件在痕量高毒性生化战剂检测方面的应用。科研人员通过对敏感材料表面进行改性,使得沙林气体在检测过程中发生了还原-氧化性转变,如图2所示。在400摄氏度,沙林表现了本征的还原性气体特性,而在300摄氏度,其却展现了反常的氧化性气体特性。通过比较其他气体(乙醇、丙酮及沙林模拟机DMMP)响应,只有沙林展现出了这种双性气体(Janus gas)特性,成功的实现了对沙林的选择性检测,有效区分了沙林和其模拟剂DMMP。该MEMS基器件可检测到低达6 ppb的沙林毒气,是目前采用金属氧化物半导体型气敏传感器文献报道可检测到的最低浓度。这项工作,为将电阻型薄膜气体传感器的应用领域拓展至某些特殊领域提供了近期可实现性。这些特殊领域包括,要求快速响应、高灵敏、低功耗等的领域,如公共安全领域的高毒性气体的痕量监测及智能传感网等。相关结果近期发表在英国皇家化学会的《化学通讯》上(Chem. Commun. 2015, 51, 8193-8196)。

  刘欢课题组的博士生李敏等人尝试采用胶态法合成的硫化铅量子点为半导体气敏材料,以室温旋涂法成膜并辅以有机配体置换形成器件,工艺简便且避免了传统气敏材料因高温煅烧造成的团聚现象。该器件在室温下对低浓度NO2表现出择优敏感性以及快速响应和恢复特性,且创新地采用纸作为柔性衬底替代传统器件中的陶瓷刚性衬底,其优良的抗弯曲疲劳特性可满足对器件柔韧性有特殊要求的应用需求,同时结合理论计算解释了上述气敏效应的物理化学内涵。5月,有关该研究的相关论文“可折叠、快速响应的胶态量子点气体传感器”发表于材料类国际顶尖杂志《先进材料》。

相关工作得到了国家科技部“973”计划、国家自然科学基金、安徽省杰出青年基金等科研项目的资助。

  李敏等人研究后发现,p型的PbS量子点薄膜在较低工作温度下对低浓度H2S气体表现出极高的灵敏度和优良的选择性,理论探测下限可低至17ppb。因此,通过改变工作温度可以分别获得对NO2和H2S气体的择优敏感性。7月22日,该研究的相关论文“硫化氢探测用胶态量子点电阻式气体传感器”在线发表于传感器领域国际权威期刊《传感器与执行器B-化学》。

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