固體所在電學-譜學雙模敏感材料及傳感器件研究方麵取得新進展

近期 ，中國科學院合肥物質院固體所納米材料與器件技術研究部在電學-譜學雙模監測氣體傳感器的創新設計與可控製造方麵取得新進展 ，相關研究成果以“Vortex Engineering on Oxide Bowl-Coated Oxide/Gold Dual-Layer Array for Dual Electrical/Spectroscopic Monitoring of Volatile Organic Compound”為題發表在Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater., 2024, 2402173)上 。

傳感器是構成現代科技和工程係統的關鍵核心部件 。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點 ，可以通過實時監測環境中的特征氣體 ，實現對潛在風險或事件的及時診斷和預警 。然而 ，單一的電學信號無法實現複雜體係下目標分子的精確辨識 ，半導體傳感器通常會局限於危險氣體的泄露報警 。因此 ，以現有半導體傳感器為基礎 ，發展多傳感技術高效融合的新原理和新方法 ，深度拓展並賦予傳感器以精準識別能力 ，有望為精細化環境監測 、疾病精準診療 、工業自動化及國防安保等應用領域提供革命性的解決方案 ，推動傳感器行業的創新和發展 。

鑒於此 ，固體所研究人員從半導體電學傳感器具有實時監測 、而貴金屬表麵增強拉曼光譜（SERS）可以指紋識別的特點出發 ，提出將兩種技術高效融合 、由“電學響應”觸發“譜學識別”的雙模敏感新思路 ，以期基於一個器件同時實現目標氣體的實時監測和精準識別 。研究人員設計了新型的疊層複合陣列敏感結構，通過敏感單元界麵自組裝策略 ，先後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麵 ：表層的Ni摻雜SnO2薄膜具有多孔碗狀結構 ，氣流經過表麵時的渦流效應可以高效誘捕和限域目標分子 ，並通過表麵氧化還原反應產生實時的電學響應 ；底層的金納米陣列則富含物理增強“熱點” ，激光輻照下可以獲得限域目標分子的SERS光譜 ，進而實現精準識別 。以苯乙烯為代表性目標物 ，雙模傳感器成功實現了10 ppb的超低電學監測檢測限 ，能在數秒內快速響應和恢複 。結合SERS光譜 ，傳感器進一步實現了苯乙烯及多種VOCs（甲苯 、1-十二烷硫醇 、乙醇 、苯甲醛 、二甲苯 、硝基苯等）的精確辨識和多重監測 。基於界麵自組裝的疊層構築技術 ，不僅能實現敏感單元的按需精準調控 ，而且可以與現有MEMS微納加工工藝高效融合 ，實現批量化生產製造 ，有望為高性能傳感器的創新設計和融合製造提供材料基礎和技術支撐 。

上述工作得到了國家自然科學基金 、安徽省自然科學基金 、山東省創新能力提升工程項目 、合肥物質院院長基金等項目的支持 。

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 、製備和表征 。

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 ，進而增強其電學響應和SERS敏感性能 。

圖3. 以VOCs為代表性目標氣體 ，進行電學實時監測和SERS譜學精準識別雙模敏感性能驗證 。