【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(tuán)隊(duì)以WO3納米顆粒為研究對(duì)象，采用脈沖溫度調(diào)制(PTM)測(cè)試模式，使半導(dǎo)體氣體傳感器對(duì)NO2、H2S和VOCs的靈敏度比傳統(tǒng)恒溫測(cè)試模式提升了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，接近或超過(guò)現(xiàn)有化學(xué)增敏WO3傳感器的高紀(jì)錄。相關(guān)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(dǎo)體氣體傳感器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，提升靈敏度是傳感器研究的焦點(diǎn)之一，常用的策略是增強(qiáng)敏感材料的表面活性，即化學(xué)增敏，實(shí)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(xué)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(xué)增敏需要在微觀層面精細(xì)調(diào)控材料，往往需要大量的正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得到工藝，合成要求較高、工藝復(fù)雜；其次，不同敏感材料的晶體結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)習(xí)性各不相同，更換新的材料體系時(shí)，通常需要重新摸索實(shí)驗(yàn)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(yīng)，然而高溫會(huì)激發(fā)更多載流子，而且高溫測(cè)試也不利于待測(cè)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(cè)量模式)并沒有完全發(fā)揮傳感材料的性能。為解決上述問(wèn)題，科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)解析傳感器信號(hào)的產(chǎn)生，將氣體傳感器的電學(xué)響應(yīng)來(lái)源拆分為兩個(gè)界面：氣體分子與材料表面的氧化還原反應(yīng)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(xué)性質(zhì)相關(guān)的電信號(hào)(電阻)讀出界面(第二界面)，該界面需在低溫工作以利于待測(cè)氣體分子的吸附，并降低體系的載流子濃度。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)提出利用化學(xué)吸附分子的“淬火”效應(yīng)，通過(guò)脈沖溫度調(diào)制(PTM)解除兩個(gè)界面的耦合來(lái)放大傳感器的電學(xué)響應(yīng)。團(tuán)隊(duì)以WO3納米顆粒為研究對(duì)象，采用PTM測(cè)試模式，使傳感器對(duì)NO2、H2S和VOCs的靈敏度比傳統(tǒng)恒溫測(cè)試模式提升了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，接近或超過(guò)現(xiàn)有化學(xué)增敏WO3傳感器的高紀(jì)錄。PTM通過(guò)物理的方法放大傳感第二界面的電學(xué)響應(yīng)，方法簡(jiǎn)單、增敏幅度大、普適性好(對(duì)NiO基傳感器同樣適用)。
 

　　此外，采用尺寸、功耗更低的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)微熱臺(tái)進(jìn)行PTM測(cè)試，在提升靈敏度的同時(shí)，可將傳感器功耗進(jìn)一步降低至10 mW量級(jí)，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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
 

　　上述工作由國(guó)家自然科學(xué)基金和中科院合作等項(xiàng)目資助。