近期，中國(guó)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(jiān)測(cè)氣體傳感器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與可控制造方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Vortex Engineering on Oxide Bowl-Coated Oxide/Gold Dual-Layer Array for Dual Electrical/Spectroscopic Monitoring of Volatile Organic Compound”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater., 2024, 2402173)上。

傳感器是構(gòu)成現(xiàn)代科技和工程系統(tǒng)的關(guān)鍵核心部件。半導(dǎo)體電導(dǎo)型氣體傳感器具有高靈敏、快響應(yīng)和易集成等優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的特征氣體，實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)或事件的及時(shí)診斷和預(yù)警。然而，單一的電學(xué)信號(hào)無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜體系下目標(biāo)分子的精確辨識(shí)，半導(dǎo)體傳感器通常會(huì)局限于危險(xiǎn)氣體的泄露報(bào)警。因此，以現(xiàn)有半導(dǎo)體傳感器為基礎(chǔ)，發(fā)展多傳感技術(shù)高效融合的新原理和新方法，深度拓展并賦予傳感器以精準(zhǔn)識(shí)別能力，有望為精細(xì)化環(huán)境監(jiān)測(cè)、疾病精準(zhǔn)診療、工業(yè)自動(dòng)化及國(guó)防安保等應(yīng)用領(lǐng)域提供革命性的解決方案，推動(dòng)傳感器行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。

鑒于此，固體所研究人員從半導(dǎo)體電學(xué)傳感器具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、而貴金屬表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）可以指紋識(shí)別的特點(diǎn)出發(fā)，提出將兩種技術(shù)高效融合、由“電學(xué)響應(yīng)”觸發(fā)“譜學(xué)識(shí)別”的雙模敏感新思路，以期基于一個(gè)器件同時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)識(shí)別。研究人員設(shè)計(jì)了新型的疊層復(fù)合陣列敏感結(jié)構(gòu)，通過(guò)敏感單元界面自組裝策略，先后將貴金屬結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，氣流經(jīng)過(guò)表面時(shí)的渦流效應(yīng)可以高效誘捕和限域目標(biāo)分子，并通過(guò)表面氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生實(shí)時(shí)的電學(xué)響應(yīng)；底層的金納米陣列則富含物理增強(qiáng)“熱點(diǎn)”，激光輻照下可以獲得限域目標(biāo)分子的SERS光譜，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)識(shí)別。以苯乙烯為代表性目標(biāo)物，雙模傳感器成功實(shí)現(xiàn)了10 ppb的超低電學(xué)監(jiān)測(cè)檢測(cè)限，能在數(shù)秒內(nèi)快速響應(yīng)和恢復(fù)。結(jié)合SERS光譜，傳感器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了苯乙烯及多種VOCs（甲苯、1-十二烷硫醇、乙醇、苯甲醛、二甲苯、硝基苯等）的精確辨識(shí)和多重監(jiān)測(cè)?；诮缑孀越M裝的疊層構(gòu)筑技術(shù)，不僅能實(shí)現(xiàn)敏感單元的按需精準(zhǔn)調(diào)控，而且可以與現(xiàn)有MEMS微納加工工藝高效融合，實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)制造，有望為高性能傳感器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和融合制造提供材料基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

上述工作得到了國(guó)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(xiàng)目、合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)基金等項(xiàng)目的支持。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202402173

圖1. 半導(dǎo)體-貴金屬疊層陣列結(jié)構(gòu)傳感器的設(shè)計(jì)、制備和表征。

圖2. 雙模傳感器表層的微納碗狀結(jié)構(gòu)可以高效誘捕和限域目標(biāo)分子，進(jìn)而增強(qiáng)其電學(xué)響應(yīng)和SERS敏感性能。

圖3. 以VOCs為代表性目標(biāo)氣體，進(jìn)行電學(xué)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和SERS譜學(xué)精準(zhǔn)識(shí)別雙模敏感性能驗(yàn)證。