固体所在电学-谱学双模敏感材料及传感器件研究方面取得新进展

近期，中国科学院合肥物质院固体所纳米材料与器件技术研究部在电学-谱学双模监测气体传感器的创新设计与可控制造方面取得新进展，相关研究成果以“Vortex Engineering on Oxide Bowl-Coated Oxide/Gold Dual-Layer Array for Dual Electrical/Spectroscopic Monitoring of Volatile Organic Compound”为题发表在Advanced Functional Materials (Adv. Funct. Mater., 2024, 2402173)上。

传感器是构成现代科技和工程系统的关键核心部件。半导体电导型气体传感器具有高灵敏、快响应和易集成等优点，可以通过实时监测环境中的特征气体，实现对潜在风险或事件的及时诊断和预警。然而，单一的电学信号无法实现复杂体系下目标分子的精确辨识，半导体传感器通常会局限于危险气体的泄露报警。因此，以现有半导体传感器为基础，发展多传感技术高效融合的新原理和新方法，深度拓展并赋予传感器以精准识别能力，有望为精细化环境监测、疾病精准诊疗、工业自动化及国防安保等应用领域提供革命性的解决方案，推动传感器行业的创新和发展。

鉴于此，固体所研究人员从半导体电学传感器具有实时监测、而贵金属表面增强拉曼光谱（SERS）可以指纹识别的特点出发，提出将两种技术高效融合、由“电学响应”触发“谱学识别”的双模敏感新思路，以期基于一个器件同时实现目标气体的实时监测和精准识别。研究人员设计了新型的叠层复合阵列敏感结构，通过敏感单元界面自组装策略，先后将贵金属结构阵列和氧化物多孔薄膜定向定域加载在器件基底表面：表层的Ni掺杂SnO2薄膜具有多孔碗状结构，气流经过表面时的涡流效应可以高效诱捕和限域目标分子，并通过表面氧化还原反应产生实时的电学响应；底层的金纳米阵列则富含物理增强“热点”，激光辐照下可以获得限域目标分子的SERS光谱，进而实现精准识别。以苯乙烯为代表性目标物，双模传感器成功实现了10 ppb的超低电学监测检测限，能在数秒内快速响应和恢复。结合SERS光谱，传感器进一步实现了苯乙烯及多种VOCs（甲苯、1-十二烷硫醇、乙醇、苯甲醛、二甲苯、硝基苯等）的精确辨识和多重监测。基于界面自组装的叠层构筑技术，不仅能实现敏感单元的按需精准调控，而且可以与现有MEMS微纳加工工艺高效融合，实现批量化生产制造，有望为高性能传感器的创新设计和融合制造提供材料基础和技术支撑。

上述工作得到了国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、山东省创新能力提升工程项目、合肥物质院院长基金等项目的支持。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202402173

图1. 半导体-贵金属叠层阵列结构传感器的设计、制备和表征。

图2. 双模传感器表层的微纳碗状结构可以高效诱捕和限域目标分子，进而增强其电学响应和SERS敏感性能。

图3. 以VOCs为代表性目标气体，进行电学实时监测和SERS谱学精准识别双模敏感性能验证。