【儀表網 研發快訊】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制造方面取得新進展，相關研究成果發表在Advanced Functional Materials上。
傳感器是構成現代科技和工程系統的關鍵核心部件。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，傳統的半導體傳感器通常僅能提供單一的電學信號，這在復雜體系中往往無法實現目標分子的精確識別，從而限制了其應用范圍，主要局限于危險氣體的泄露報警。因此，通過融合現有半導體傳感器與多傳感技術，提升傳感器的精準識別能力，有望為多個領域如環境監測、醫療診療、工業自動化和國防安保等提供革命性的解決方案，進一步推動傳感器行業的發展。
鑒于此，固體所研究人員充分利用了半導體電學傳感器的實時監測優勢和貴金屬表面增強拉曼光譜(SERS)的指紋識別能力，創新性地提出了將這兩種技術高效結合的雙模敏感新思路。通過“電學響應”觸發“譜學識別”，旨在通過一個器件實現對目標氣體的實時監測與精準識別。
研究人員設計了新型的疊層復合陣列敏感結構，通過敏感單元界面自組裝策略，先后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面：表層的Ni摻雜SnO2薄膜具有多孔碗狀結構，氣流經過表面時的渦流效應可以高效誘捕和限域目標分子，并通過表面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。
以苯乙烯為目標物進行測試，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復。結合SERS光譜技術，傳感器還能精確識別和同時監測多種揮發性有機化合物(VOCs)，如甲苯、1-十二烷硫醇、乙醇、苯甲醛、二甲苯和硝基苯等。
此外，基于界面自組裝的疊層構筑技術不僅允許對敏感單元進行按需精準調控，還與現有的微機電系統(MEMS)微納加工工藝高度兼容，便于實現批量化生產。這一技術突破有望為高性能傳感器的創新設計和融合制造提供堅實的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。
圖1. 半導體-貴金屬疊層陣列結構傳感器的設計、制備和表征。
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。
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