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安光所研究团队提出一种提升半导体气体传感器灵敏度的新途径

782    2020-11-17    发布者:中国测试杂志社    来源:中科院合肥研究所

中科院合肥研究院安光所激光中心方晓东研究员、孟钢研究员团队以WO3纳米颗粒为研究对象,采用脉冲温度调制(PTM)测试模式,使半导体气体传感器对NO2、H2S和VOCs的灵敏度比传统恒温测试模式提升了1-2个数量级,接近或超过现有化学增敏WO3传感器的最高纪录。相关成果以“Generic approach to boost the sensitivity of metal oxide sensors by decoupling the surface charge exchange and resistance reading process”为题,发表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊。

图(a)WO3 MEMS传感器;(b)PTM(物理)增敏结果

灵敏度是衡量氧化物半导体气体传感器性能的一个重要指标,提升灵敏度是传感器研究的焦点之一,常用的策略是增强敏感材料的表面活性,即化学增敏,实现方案包括形貌(尺寸、裸露晶面)控制、贵金属修饰、(掺杂/退火/等离子处理)缺陷调控等。现有的化学增敏途径虽可显著提高材料灵敏度,但也存在不足:首先,化学增敏需要在微观层面精细调控材料,往往需要大量的正交实验优化得到最佳工艺,合成要求较高、工艺复杂;其次,不同敏感材料的晶体结构、生长习性各不相同,更换新的材料体系时,通常需要重新摸索实验方案,方法的普适性差。
  金属氧化物气体传感材料通常需要在高温工作以产生足够的活性氧(ROS)参与表面氧化还原反应,然而高温会激发更多载流子,而且高温测试也不利于待测气体分子的吸附,因此,传统的传感器工作模式(恒定高温测量模式)并没有完全发挥传感材料的性能。为解决上述问题,科研团队通过解析传感器信号的产生,将气体传感器的电学响应来源拆分为两个界面:气体分子与材料表面的氧化还原反应界面(第一界面),该界面需在高温工作以产生足够的ROS;与传感材料本身的电学性质相关的电信号(电阻)读出界面(第二界面),该界面需在低温工作以利于待测气体分子的吸附,并降低体系的载流子浓度。在此基础上,团队提出利用化学吸附分子的“淬火”效应,通过脉冲温度调制(PTM)解除两个界面的耦合来放大传感器的电学响应。团队以WO3纳米颗粒为研究对象,采用PTM测试模式,使传感器对NO2、H2S和VOCs的灵敏度比传统恒温测试模式提升了1-2个数量级,接近或超过现有化学增敏WO3传感器的最高纪录。PTM通过物理的方法放大传感第二界面的电学响应,方法简单、增敏幅度大、普适性好(对NiO基传感器同样适用)。
  此外,采用尺寸、功耗更低的微机电系统(MEMS)微热台进行PTM测试,在提升灵敏度的同时,可将传感器功耗进一步降低至10 mW量级,为后续高灵敏、低功耗、超微型智能分子传感系统的开发奠定了坚实的基础。
  上述工作由国家自然科学基金和中科院国际合作等项目资助。



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