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近日，復旦大學(xué)微電子學(xué)院教授盧紅亮（通訊作者）領(lǐng)導的團隊首次結合硬模板法、原子層沉積技術(shù)和水熱工藝，在低功耗MEMS器件上原位合成了單層有序SnO2納米碗支化ZnO納米線(xiàn)的多級異質(zhì)復合納米材料，并以此作為氣體傳感器，對濃度低至1ppm的硫化氫實(shí)現了超靈敏和高選擇性的探測。相關(guān)成果以《Hierarchical highly ordered SnO2 nanobowls branched ZnO nanowires for ultrasensitive and selective hydrogen sulfide gas sensing》為題發(fā)表在國際頂級期刊Microsystems & Nanoengineering上（https://doi.org/10.1038/s41378-020-0142-6），此期刊由中國科學(xué)院電子學(xué)研究所與原Nature出版集團合作出版，是原Nature出版集團合作出版的第一本工程類(lèi)期刊，在微系統與納米工程領(lǐng)域已產(chǎn)生了廣泛的影響。 近年來(lái)，基于金屬氧化物半導體納米材料的新型氣體傳感器受到了極大關(guān)注，已經(jīng)廣泛應用于氣體泄漏警報、環(huán)境氣體監測和工業(yè)氣體分析等各個(gè)領(lǐng)域。工業(yè)生產(chǎn)中的常見(jiàn)產(chǎn)物H2S是危險的有害氣體之一，其對人體具有極大危害。微量的H2S就足以破壞人體呼吸系統，造成無(wú)意識的神經(jīng)后遺癥和心血管相關(guān)疾病。鑒于此，制備能夠有效監測周?chē)瞽h(huán)境中H2S含量的超靈敏氣體傳感器具有重要意義，引起了廣泛的研究興趣。 目前常見(jiàn)的傳感器制備技術(shù)是將納米傳感材料印刷或滴涂到陶瓷管或MEMS器件上，極大地限制了傳感器的可靠性和可重復性。因此，一種能夠將納米傳感材料和MEMS微加熱基底無(wú)縫集成的制備技術(shù)對于開(kāi)發(fā)高穩定性和低功耗的高性能氣體傳感器至關(guān)重要。近年研發(fā)的一種原位合成單層大孔材料的硬膜板法能夠較好地滿(mǎn)足上述要求。原位制備工藝不僅適合晶圓級的制備，而且能夠有效降低接觸電阻，進(jìn)一步提升器件性能。此外，單一敏感材料的氣體傳感器往往存在選擇性差、響應/恢復時(shí)間長(cháng)等問(wèn)題。多級結構的構建有利于增加材料的比表面積，同時(shí)能夠在母體和次級納米結構間的界面形成更多的同質(zhì)/異質(zhì)結，已被廣泛認為是有效提升氣敏性能的方法之一。而考慮到不同材料間不同性能的協(xié)同效應，異質(zhì)結構的納米多級復合材料其氣敏性能優(yōu)于同質(zhì)多級納米結構。 本項研究設計的MEMS式單層有序SnO2納米碗支化ZnO納米線(xiàn)器件在250oC的工作溫度下，對1ppm硫化氫的響應（Ra/Rg）高達6.24，其響應變化率（5.24）約為單層有序SnO2納米碗器件的2.6倍，同時(shí)具有較快的響應/恢復速度。此外，對該MEMS式單層有序SnO2納米碗支化ZnO納米線(xiàn)器件的氣敏性能重復測量了一個(gè)月，證實(shí)其具有較好的長(cháng)期穩定性和可重復性。多級異質(zhì)結構不僅有效增加了材料的比表面積，提升了材料的氣體吸附能力，同時(shí)異質(zhì)結提高了材料的氣敏響應能力。此外，我們的傳感材料原位制備于MEMS器件上，具有低功耗和可集成化的優(yōu)勢，為氣體監測領(lǐng)域開(kāi)發(fā)高靈敏度、高穩定性的氣體傳感器提供了堅實(shí)的技術(shù)支持。 盧紅亮教授領(lǐng)銜的智能微納傳感芯片及系統課題組正大力開(kāi)展基于各種納米復合材料的微納智能傳感器及集成系統的研究，包括氣體傳感器、光電傳感器及微系統芯片等方面的應用探索。 |
