復旦大學盧紅亮團隊在新型氣敏材料及MEMS氣敏器件研究中取得新進展

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  近日,復旦大學微電子學院教授盧紅亮團隊首次結合硬模板法、原子層沉積技術和水熱工藝,在低功耗MEMS器件上原位合成瞭單層有序SnO2納米碗支化ZnO納米線的多級異質復合納米材料,並以此作為氣體傳感器,對濃度低至1 ppm的硫化氫實現瞭超靈敏和高選擇性的探測。相關成果以“Hierarchical highly ordered SnO2 nanobowls branched ZnO nanowires for ultrasensitive and selective hydrogen sulfide gas sensing”為題發表於Microsystems&Nanoengineering上(https://doi.org/10.1038/s41378-020-0142-6)。

  近年來,基於金屬氧化物半導體納米材料的新型氣體傳感器受到瞭極大關註,已經廣泛應用於氣體泄漏警報、環境氣體監測和工業氣體分析等各個領域。工業生產中的常見產物H2S是危險的有害氣體之一,對人體具有極大危害。微量的H2S就足以破壞人體呼吸系統,造成無意識的神經後遺癥和心血管相關疾病。鑒於此,制備能夠有效監測周圍生活環境中H2S含量的超靈敏氣體傳感器具有重要意義,引起瞭廣泛的研究興趣。

  目前常見的傳感器制備技術是將納米傳感材料印刷或滴塗到陶瓷管或MEMS器件上,極大地限制瞭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微加熱基底無縫集成的制備技術對於開發高穩定性和低功耗的高性能氣體傳感器至關重要。近年研發的一種原位合成單層大孔材料的硬膜板法能夠較好地滿足上述要求。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/恢復時間長等問題。多級結構的構建有利於增加材料的比表面積,同時能夠在母體和次級納米結構間的界面形成更多的同質/異質結,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同效應,異質結構的納米多級復合材料其氣敏性能優於同質多級納米結構。

  本項研究設計的MEMS式單層有序SnO2納米碗支化ZnO納米線器件在250oC的工作溫度下,對1 ppm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,同時具有較快的響應/恢復速度。此外,研究人員對該MEMS式單層有序SnO2納米碗支化ZnO納米線器件的氣敏性能重復測量瞭一個月,證實其具有較好的長期穩定性和可重復性。多級異質結構不僅有效增加瞭材料的比表面積,提升瞭材料的氣體吸附能力,同時異質結提高瞭材料的氣敏響應能力。此外,團隊的傳感材料原位制備於MEMS器件上,具有低功耗和可集成化的優勢,為氣體監測領域開發高靈敏度、高穩定性的氣體傳感器提供瞭堅實的技術支持。

  盧紅亮領銜的智能微納傳感芯片及系統課題組正大力開展基於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。最近,多項微納智能傳感器研究成果已發表於Nano Energy、ACS Applied Materials & Interfaces、Microsystems& Nanoengineering和Sensors and Actuators B: Chemical等期刊。