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)雙模監測氣體傳感器的創(chuàng )新設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A(yíng)dvanced Functional Materials上。
傳感器是構成現代科技和工程系統的關(guān)鍵核心部件。半導體電導型氣體傳感器具有高靈敏、快響應和易集成等優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)實(shí)時(shí)監測環(huán)境中的特征氣體，實(shí)現對潛在風(fēng)險或事件的及時(shí)診斷和預警。然而，傳統的半導體傳感器通常僅能提供單一的電學(xué)信號，這在復雜體系中往往無(wú)法實(shí)現目標分子的精確識別，從而限制了其應用范圍，主要局限于危險氣體的泄露報警。因此，通過(guò)融合現有半導體傳感器與多傳感技術(shù)，提升傳感器的精準識別能力，有望為多個(gè)領(lǐng)域如環(huán)境監測、醫療診療、工業(yè)自動(dòng)化和國防安保等提供革命性的解決方案，進(jìn)一步推動(dòng)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體電學(xué)傳感器的實(shí)時(shí)監測優(yōu)勢和貴金屬表面增強拉曼光譜（SERS）的指紋識別能力，創(chuàng )新性地提出了將這兩種技術(shù)高效結合的雙模敏感新思路。通過(guò)“電學(xué)響應”觸發(fā)“譜學(xué)識別”，旨在通過(guò)一個(gè)器件實(shí)現對目標氣體的實(shí)時(shí)監測與精準識別。
研究人員設計了新型的疊層復合陣列敏感結構，通過(guò)敏感單元界面自組裝策略，先后將貴金屬結構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構，氣流經(jīng)過(guò)表面時(shí)的渦流效應可以高效誘捕和限域目標分子，并通過(guò)表面氧化還原反應產(chǎn)生實(shí)時(shí)的電學(xué)響應；底層的金納米陣列則富含物理增強“熱點(diǎn)”，激光輻照下可以獲得限域目標分子的SERS光譜，進(jìn)而實(shí)現精準識別。
以苯乙烯為目標物進(jìn)行測試，雙模傳感器成功實(shí)現了10 ppb的超低電學(xué)監測檢測限，能在數秒內快速響應和恢復。結合SERS光譜技術(shù)，傳感器還能精確識別和同時(shí)監測多種揮發(fā)性有機化合物（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筑技術(shù)不僅允許對敏感單元進(jìn)行按需精準調控，還與現有的微機電系統（MEMS）微納加工工藝高度兼容，便于實(shí)現批量化生產(chǎn)。這一技術(shù)突破有望為高性能傳感器的創(chuàng )新設計和融合制造提供堅實(shí)的材料基礎和技術(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(cháng)基金等項目的支持。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202402173
圖1. 半導體-貴金屬疊層陣列結構傳感器的設計、制備和表征。
圖2. 雙模傳感器表層的微納碗狀結構可以高效誘捕和限域目標分子，進(jìn)而增強其電學(xué)響應和SERS敏感性能。
圖3. 以VOCs為代表性目標氣體，進(jìn)行電學(xué)實(shí)時(shí)監測和SERS譜學(xué)精準識別雙模敏感性能驗證。
