葛一璇 于婷婷 梁文杰?

1)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所,納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

2)(南京航空航天大學(xué)物理學(xué)院,南京 211106)

1 引言

H2作為一種發(fā)展最為完善的綠色能源材料,近年來(lái)在工業(yè)發(fā)展[1]、人類生產(chǎn)生活[2]、疾病治療等方面發(fā)揮了重要作用.然而,H2易擴(kuò)散,無(wú)色無(wú)味和可燃爆炸特性在生產(chǎn)生活中會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果[3].開(kāi)發(fā)長(zhǎng)期高效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) H2氣體傳感器變得越來(lái)越重要和迫切.H2作為石油化工生產(chǎn)過(guò)程中存在的主要可燃?xì)怏w之一,對(duì) H2氣體識(shí)別和高靈敏的檢測(cè)等需求具有重要研究意義并且具有很大的挑戰(zhàn)性.

傳統(tǒng)的氣體傳感器,包括電化學(xué)氣體傳感器[4]、催化燃燒氣體傳感器[5]、紅外氣體傳感器[6]、半導(dǎo)體氣體傳感器[7]等,其中半導(dǎo)體型氣體傳感器作為一種靈敏度高[8]、響應(yīng)速度快[9]、集成度高且低成本[10]的傳感器,在氣體傳感器領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用.然而,目前應(yīng)用于 H2檢測(cè)的半導(dǎo)體氣體傳感器的選擇性[11,12]、靈敏度[13]和集成度都有待提高.因此實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高特異性的小型化低功耗的 H2氣體傳感器仍是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作.

為了增強(qiáng)半導(dǎo)體氣體傳感器對(duì)氫氣的高靈敏性和高特異性,采用了調(diào)控材料形貌[14–15]、元素?fù)诫s[16–18]等方法.Zhang 等[16]采用溶膠-凝膠旋涂技術(shù)制備了摩爾分?jǐn)?shù)為1%—10% Co-SnO2薄膜傳感器,對(duì)濃度為2000×10–6的 H2氣體響應(yīng)靈敏度達(dá)到59.04.Meng 等[17]通過(guò)負(fù)載0.50% Pd-SnO2(原子分?jǐn)?shù))傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)濃度為500 ppm (1 ppm =10–6) H2的響應(yīng)幅度最高達(dá)254,Wang 等[18]采用負(fù)載4.0% Au-SnO2(原子分?jǐn)?shù))氣體傳感器對(duì)濃度為100 ppm H2的響應(yīng)最高達(dá)到25.盡管最近的研究工作都致力于研究貴金屬元素對(duì)傳感性能的影響,但很少有工作提出同時(shí)具備高靈敏度、高特異性與低功耗、小型化的傳感器.

微機(jī)電系統(tǒng)(micro electromechanical system,MEMS)技術(shù)[19]的發(fā)展提高了半導(dǎo)體型氣體傳感器的集成度,由此可解決氣體傳感器對(duì)小型化、低功耗的需求.本文利用在MEMS 微熱板上原位加熱合成的方法[20,21],在本研究中,以氯金酸(HAuCl4·4H20)和四氯化錫晶體(SnCl4·5H2O)為原材料制備了金摻雜二氧化錫的前驅(qū)體溶液; 使用聚苯乙烯微球(polystyrene spheres,PS 小球)模板化生成敏感材料制備了納米化的形貌結(jié)構(gòu); 通過(guò)對(duì)微熱板加電壓煅燒實(shí)現(xiàn)了原位合成方法.通過(guò)這種納米級(jí)模板化原位加熱的方法制備了的負(fù)載Au的 SnO2納米傳感器(template assistedin-situgrwn Au loaded tin oxide nano sensor,TIS-Au-SnO2傳感器).為了闡明其傳感機(jī)理,我們進(jìn)行了元素成分分析.結(jié)果表明,Au-SnO2納米傳感器對(duì)氫氣具有超靈敏、高特異性以及對(duì)重要干擾氣體乙醇產(chǎn)生抑制的重要原因有二: 其一是材料表面具有高比例的缺陷氧; 其二是采用了含有PS 小球陣列模板化原位加熱的方法.

2 制備過(guò)程

2.1 模板法原位制備超靈敏和高特異性的微型氫氣傳感器實(shí)驗(yàn)過(guò)程

微熱板芯片局部親水性改性.利用MEMS工藝制備而成的微熱板傳感芯片(圖1(a)所示),微熱板面積為1 mm ×1 mm,該微熱板由一組測(cè)試電極、一組加熱電極及中間的懸浮結(jié)構(gòu)構(gòu)成,懸浮結(jié)構(gòu)中包含叉指電極和加熱絲.可以用來(lái)調(diào)節(jié)傳感器性能,更有利于本研究中的材料原位加熱合成,適合作為微型便攜式氣體傳感器的傳感元件.為了使其表面親水,從而更好地與PS 小球模板粘附.對(duì)微熱板芯片進(jìn)行O2等離子體處理,采用條件為反應(yīng)離子束刻蝕(reactive ion etching,RIE)功率100 W,時(shí)間20 min.

圖1 (a)微熱板芯片的光學(xué)顯微鏡圖; (b)模板化原位加熱制備TIS-Au-SnO2 傳感器,其中,(1)小球自組裝在前驅(qū)體溶液表面形成單層PS 小球模板,(2)將微熱板芯片以10°—20°的角度對(duì)含有PS 小球陣列的前驅(qū)體溶液進(jìn)行拾取,(3)將微熱板芯片在室溫下進(jìn)行干燥,(4)原位加熱微熱板芯片至4.5 V(550 ℃)得到納米碗狀結(jié)構(gòu)Fig.1.(a) Optical microscope image of micro hot plate chip; (b) preparation of TIS-Au-SnO2 sensor by templated in-situ synthesis:(1) The spheres self-assemble on the surface of the precursor solution to form a monolayer PS sphere template,(2) pick up the micro hot plate chip at an angle of 10°–20° to the precursor solution containing the PS sphere array,(3) dry the microplate chip at room temperature,(4) in-situ heating of microhotplate chips to 4.5 V (550 ℃) to obtain a nanobowl-like structures.

氣敏材料的前驅(qū)體溶液制備及模板化自組裝.稱取1.7 g 的SnCl4·5H2O 晶體和0.01 g 的HAuCl4·4H2O,并與20 mL 去離子水混合攪拌10 min,直到完全溶解,得到淺黃色前驅(qū)體溶液.將前驅(qū)體溶液置入圓形玻璃培養(yǎng)皿中.隨后使用界面涂覆的方法在前驅(qū)體溶液表面形成自組裝緊密排列的單層PS 小球模板.首先利用乙醇溶液稀釋未官能化的PS 小球溶液形成1:1 的PS 小球,即乙醇溶液的懸浮液.將配置好的懸浮液滴至前驅(qū)體溶液表面.將PS小球懸浮液滴至清洗后的載玻片上,沿著載玻片自由移動(dòng)進(jìn)入前驅(qū)體溶液/空氣界面,每次只滴入2 μL,并控制滴入懸浮液的速度直到前一滴完全擴(kuò)散,且在前驅(qū)體溶液/空氣界面上沒(méi)有明顯的移動(dòng),才滴入下一滴.這樣新的液滴才不會(huì)干擾之前的液滴的擴(kuò)散過(guò)程,使渾濁度最小化,直到整個(gè)界面被有序納米球陣列覆蓋衍射形成的彩色光柵.

模板化合成敏感材料.將具有親水性的微熱板芯片器件與水平面呈10°—20°的角度,以30 mm/min的速率拾取含有PS 小球模板的前驅(qū)體溶液.然后,將完成拾取的芯片放在室溫下干燥10 min,將器件粘在基座上,使用引線儀將電極連接.將微加熱板通電加電壓至4.5 V (550 ℃)下煅燒2 h 實(shí)現(xiàn)PS 模板的熱去除,從而在襯底上形成金屬氧化物空心球陣列.實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖1(b)所示.

2.2 氣敏測(cè)量

實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)氣敏測(cè)量方法,將H2傳感器放入氣敏測(cè)試系統(tǒng)中,通過(guò)加熱絲電壓調(diào)節(jié)氣敏測(cè)量的工作溫度.利用微熱板芯片加熱到工作溫度并使納米傳感器達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài).向測(cè)試腔體中注入不同濃度、不同種類測(cè)試氣體,檢測(cè)納米傳感元件的電阻變化.納米傳感器會(huì)根據(jù)其氣體濃度的不同產(chǎn)生響應(yīng)數(shù)據(jù),利用電流放大器和數(shù)據(jù)采集卡對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集.傳感器的靈敏度定義為Ra/Rg,其中Ra為傳感器在空氣中的電阻,Rg為傳感器在待測(cè)氣體中的電阻.之后利用真空泵將氣體抽出,并通入空氣使腔體內(nèi)回到初始狀態(tài).

3 結(jié)果與討論

3.1 模板法制備氣敏材料原位加熱合成前后形貌圖

對(duì)樣品進(jìn)行掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)表征,觀察含有PS 小球陣列模板法原位加熱的 Au-SnO2前驅(qū)體材料的形貌.圖2(a)顯示了位于敏感材料表面的PS 小球原位加熱之前的排列圖,器件表面形成PS 小球密堆結(jié)構(gòu),PS 小球的直徑為500 nm.圖2(b)顯示了位于敏感材料表面的PS 小球原位加熱后得到空心納米碗狀的結(jié)構(gòu)圖,其直徑與模板中的PS 小球相同,實(shí)現(xiàn)了模板法制備納米結(jié)構(gòu)的敏感材料,從圖中可以看出,納米碗壁厚度小于20 nm,有望具有增敏的效果.

圖2 含有PS 小球陣列模板法原位加熱的Au-SnO2 前驅(qū)體材料的SEM 圖 (a)位于敏感材料表面的PS 小球原位加熱之前的排列圖; (b)位于敏感材料表面的PS 小球原位加熱后得到納米碗狀的結(jié)構(gòu)圖Fig.2.SEM images of Au-SnO2 precursor material containing PS sphere array template method synthesized insitu: (a) The arrangement of PS spheres located on the surface of sensitive material before in-situ heating; (b) the nano-bowl-like structure obtained after in-situ heating of PS spheres located on the surface of sensitive material.

3.2 參考傳感器的設(shè)定

為了更好地研究 TIS-Au-SnO2傳感器的傳感性能,在測(cè)試 TIS-Au-SnO2性能的同時(shí)制備不同參數(shù)的氫氣傳感器.每一種參考傳感器只改變一個(gè)參量,分別為參考傳感器1,含有PS 小球陣列模板法非原位加熱合成(管式爐煅燒)的 Au-SnO2納米傳感器; 參考傳感器2,含有PS 小球陣列模板法原位加熱合成的純 SnO2納米傳感器; 參考傳感器3,未使用PS 小球陣列模板法原位加熱合成的 Au-SnO2納米傳感器.

3.3 氣體敏感性測(cè)試

半導(dǎo)體氣敏傳感器響應(yīng)與溫度密切相關(guān),為了尋找最佳響應(yīng),對(duì)傳感器進(jìn)行不同溫度的測(cè)量,最佳響應(yīng)溫度測(cè)試是從200 ℃開(kāi)始,每50 ℃為一個(gè)分界點(diǎn),直到400 ℃,一共5 個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn).測(cè)試各傳感器在50 ppm 濃度氫氣的環(huán)境中的氣敏響應(yīng),進(jìn)行多次響應(yīng)值隨溫度變化曲線的測(cè)量,TIS-Au-SnO2傳感器敏感度隨著溫度升高先上升后下降,結(jié)果表明,TIS-Au-SnO2傳感器的最佳工作溫度為300 ℃.作為對(duì)比,同時(shí)對(duì)參考傳感器1,2,3 進(jìn)行了相同的測(cè)試,參考傳感器1,2,3 的最佳工作溫度為300,400,350 ℃.

氣敏響應(yīng)性能測(cè)試在最佳工作溫度下進(jìn)行.圖3(a)為TIS-Au-SnO2傳感器在最佳工作溫度下對(duì)濃度為50 ppm H2的響應(yīng)結(jié)果圖.當(dāng)傳感器暴露在濃度為50 ppm 氫氣環(huán)境中,傳感器的電阻下降.當(dāng)待測(cè)氣體抽出,傳感器的電阻將會(huì)回到初始狀態(tài),電阻曲線呈現(xiàn)“幾”字形狀.前后變化比值既為響應(yīng)值,濃度為50 ppm 的氫氣的響應(yīng)達(dá)100(圖3(a)),對(duì)比圖3(b)—(d),參考傳感器對(duì)50 ppm的氫氣響應(yīng)電阻曲線與其大致相同,但是響應(yīng)分別為8.9,8.7,10.TIS-Au-SnO2傳感器對(duì) H2的靈敏度比3 種參考傳感器高1 個(gè)數(shù)量級(jí).基于3 種不同參考傳感器的制備方法,可證明PS 小球模板化制備 Au-SnO2前驅(qū)體材料通過(guò)原位加熱方法制備的TIS-Au-SnO2傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì) H2氣體超靈敏的檢測(cè).

圖3 TIS-Au-SnO2傳感器及3 種參考傳感器在最佳工作溫度下對(duì)濃度50 ppm 氫氣的響應(yīng)結(jié)果圖(a)TIS-Au-SnO2 傳感器,含有PS 小球陣列模板法原位加熱的Au-SnO2納米傳感器;(b)參考傳感器1,含有PS 小球陣列模板法管式爐煅燒的 Au-SnO2 納米傳感器;(c)參考傳感器2,含有PS 小球陣列模板法原位加熱的純 SnO2 納米傳感器; (d)參考傳感器3,原位加熱的 Au-SnO2 納米傳感器Fig.3.The response of the TIS-Au-SnO2 sensor and three reference sensors to 50 ppm hydrogen at optimum operating temperature:(a)TIS-Au-SnO2 sensor,in-situ synthesis of Au-SnO2 nanosensor containing PS sphere array template method; (b) reference sensor 1,Au-SnO2 nanosensor containing PS pellet array template method of tube furnace calcination; (c) reference sensor 2,pure SnO2 nanosensor containing PS pellet array template method of in-situ synthesis; (d) reference sensor 3: Au-SnO2 nanosensor of in-situ synthesis.

3.4 特異性測(cè)試結(jié)果

對(duì)目標(biāo)氣體的特異性響應(yīng)是單一氣體傳感器性能關(guān)鍵指標(biāo).對(duì) TIS-Au-SnO2氫氣傳感器的特異性進(jìn)行研究,分別注入氫氣(50 ppm)和石化場(chǎng)景下常見(jiàn)的干擾氣體乙醇、一氧化碳和甲烷(均為50 ppm)進(jìn)行比較,選擇性結(jié)果如圖4(a)所示,TIS-Au-SnO2傳感器對(duì)50 ppm H2的響應(yīng)顯著大于其對(duì)50 ppm 的乙醇、一氧化碳和甲烷的響應(yīng),TIS-Au-SnO2傳感器對(duì) H2表現(xiàn)出高特異性,對(duì)氫氣的響應(yīng)為100,對(duì)重要干擾氣體乙醇的響應(yīng)為4.5,對(duì)氫氣的響應(yīng)為乙醇的22 倍,響應(yīng)結(jié)果對(duì)干擾氣體呈現(xiàn)明顯的抑制性.對(duì)其他干擾氣體并沒(méi)有產(chǎn)生響應(yīng)可以忽略不計(jì).作為對(duì)照,同樣對(duì)3 種參考傳感器在相同的條件下進(jìn)行測(cè)試,參考傳感器都對(duì)乙醇都產(chǎn)生了抑制作用,但參考傳感器對(duì)氫氣和乙醇的響應(yīng)結(jié)果比為2.1,3.8,4,與 TIS-Au-SnO2有明顯差別.因此,TIS-Au-SnO2傳感器對(duì) H2表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性并對(duì)乙醇這種常見(jiàn)的干擾氣體產(chǎn)生了抑制性的響應(yīng)結(jié)果,基于3 種不同參考傳感器的制備方法,可證明PS 小球模板化制備 Au-SnO2前驅(qū)體材料通過(guò)原位加熱方法制備的 TIS-Au-SnO2傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì) H2氣體高特異性的檢測(cè).

圖4 TIS-Au-SnO2 傳感器及3 種參考傳感器對(duì)50 ppm 氫氣及3 種常見(jiàn)的石化背景下干擾氣體的選擇性對(duì)比圖Fig.4.Comparison of the selectivity of the TIS-Au-SnO2 sensor and three reference sensors for 50 ppm hydrogen and three common interfering gases in a petrochemical background.

3.5 氣敏響應(yīng)對(duì)氫氣氣體濃度的依賴關(guān)系

研究了傳感器對(duì)不同濃度氫氣的響應(yīng),結(jié)果表明,TIS-Au-SnO2傳感器對(duì)隨著氫氣濃度上升呈單調(diào)上升.如圖5 所示,TIS-Au-SnO2傳感器隨著 H2濃度從100 ppm 增大到500 ppm,其響應(yīng)線性地從124 增大到260,響應(yīng)與濃度曲線結(jié)果顯示,其靈敏度為34/100 ppm.對(duì)參考傳感器進(jìn)行了同樣的測(cè)試,其響應(yīng)也線性地增大,靈敏度分別3/100 ppm,8/100 ppm,7/100 ppm.通過(guò)上述結(jié)果可知,TISAu-SnO2傳感器對(duì)定量氣體識(shí)別效果最好,通過(guò)總結(jié)對(duì)比利用這種響應(yīng)差異,可確定被測(cè)氣體的濃度范圍.基于3 種不同參考傳感器的制備方法,可證明PS 小球模板化制備 Au-SnO2前驅(qū)體材料通過(guò)原位加熱方法制備的 TIS-Au-SnO2傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同濃度 H2氣體的識(shí)別檢測(cè).

圖5 TIS-Au-SnO2 傳感器及3 種參考傳感器在濃度范圍為100—500 ppm 氫氣之間的線性響應(yīng)范圍Fig.5.The linear response of the TIS-Au-SnO2 sensor and three reference sensors in the concentration range of 100–500 ppm hydrogen.

3.6 成分表征

為了研究傳感器的增敏機(jī)理,對(duì)TIS-Au-SnO2傳感器及3 種參考傳感器表面進(jìn)行了X 射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)表征.由于響應(yīng)機(jī)理與成分元素的氧化價(jià)態(tài)密切相關(guān),因此我們對(duì)O,Sn,Au 三種元素進(jìn)行XPS 的分析.

利用XPS[22–24]進(jìn)一步確定了 SnO2空心球陣列的組成.Sn 和 O 的存在可以從它們的特征結(jié)合能中清楚地識(shí)別出來(lái).半導(dǎo)體型氣體傳感器的氣敏性能與氣敏材料表面的氧狀態(tài)密切關(guān)聯(lián),通過(guò)XPS 技術(shù)對(duì)所制備樣品中摻雜元素的氧化狀態(tài)和吸附氧情況進(jìn)行表征,結(jié)果如圖6 所示.對(duì)4 種材料的 Sn,Au,O峰進(jìn)行了對(duì)比.由圖6(b)可知,Sn元素的特征峰分布在495.18 eV 和486.68 eV,結(jié)合能差異很小,這反映了制備的前驅(qū)體溶液為SnO2溶液,表明 Sn 的氧化態(tài)為4+.實(shí)現(xiàn)了SnO2納米材料的制備合成.由圖6(a)可知,與氧有關(guān)的峰被分為了晶格氧(OL)和缺陷氧(OD),分別通過(guò)了530.0 eV 和531.8 eV 位中心對(duì)兩個(gè)氧物種的峰進(jìn)行了擬合,TIS-Au-SnO2傳感器以及3 種參考傳感器的 OL和 OD的比例分別為12.61∶88.39,22.12∶77.88,25.43∶74.58,25.01∶74.99.從結(jié)果可看出,傳感性能最好的 TIS-Au-SnO2傳感器中OL的比例最高.其中 OL結(jié)合能較低,主要種類是SnO2中的配位氧,而 OD結(jié)合能較高主要源于由氧空位引起的氧缺陷部分.OD的存在提供了更多的吸附中心,增強(qiáng)了氣體分子的吸附,并且可以提供更多的自由電子來(lái)提高載流子的遷移率,從而促進(jìn)與氣體的反應(yīng)來(lái)增強(qiáng)氣敏響應(yīng).主要源于由氧空位引起的氧缺陷部分 OD的存在提供了更多的吸附中心,增強(qiáng)了對(duì)氣體分子的吸附,且可以提供更多的自由電子來(lái)提高載流子遷移率,從而促進(jìn)與氣體的反應(yīng)來(lái)增強(qiáng)氣敏響應(yīng).從而隨著摻雜元素的加入,材料中的 OD逐漸增多,使摻雜 HAuCl4·4H2O 和PS小球后的 SnO2比未摻雜的 SnO2有更多的供體,從而促進(jìn)了響應(yīng).由圖6(c)可知,Au 特征峰分布在83.48 eV 和87.18 eV的 4f1/2和4f5/2軌道.對(duì)應(yīng)于 Au0表明摻雜在材料中的 Au 以粒子形式存在,不是復(fù)合形成 Au-SnO2納米材料.而未摻雜 HAuCl4·4H2O 的傳感器并未看到 Au 峰的出現(xiàn),證明只有摻雜 HAuCl4·4H2O,才可生成 Au 元素.

圖6 TIS-Au-SnO2 傳感器及3 種參考傳感器在不同區(qū)域的XPS 光譜(a) O區(qū)域; (b) Sn 區(qū)域; (c) Au 區(qū)域Fig.6.XPS spectra of TIS-Au-SnO2 Sensor and three reference sensor in different regions: (a) O region; (b) Sn region;(c) Au region.

4 結(jié)果討論

SEM 結(jié)果圖顯示了本研究成功使用原位加熱合成方法制備出的傳感器,具備高靈敏和高特異性的特點(diǎn).本實(shí)驗(yàn)所制備的傳感器為薄膜型結(jié)構(gòu),并未使用X 射線衍射儀技術(shù)(X-ray diffraction,XRD)進(jìn)行組分分析,但是XPS 的結(jié)果證實(shí)了制備的材料為二氧化錫.

使用微加熱器進(jìn)行預(yù)先的原位表面改性以及隨后的芯片上納米材料的煅燒是一種新的途徑,可以將生成的金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)的放置精確地限制在微加熱器平臺(tái)的活性加熱區(qū)域,與其他所見(jiàn)的傳感材料集成方法相比,具有重要優(yōu)勢(shì).

晶格氧與缺陷氧的比例決定了傳感器的傳感性能.通過(guò)XPS 表征結(jié)果,計(jì)算晶格氧和缺陷氧的峰的積分面積比得出晶格氧和缺陷氧的含量百分比.其中 TIS-Au-SnO2傳感器中的材料表面缺陷氧的比例最高,與其他參考傳感器相比,TIS-Au-SnO2傳感器含有最多的缺陷氧,比參考傳感器高出17%左右.通過(guò)傳感器的缺陷氧的比例和傳感器對(duì)氫氣的響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行分析,可知缺陷氧的比例越高傳感器對(duì)氫氣的響應(yīng)靈敏度越好.

通過(guò)3 個(gè)參考傳感器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,具有高靈敏度和高特異性的高性能微型氫氣傳感器需具備3 種條件:a)摻雜 Au 的 SnO2溶液作為前驅(qū)體溶液; b)使用含有PS 小球的陣列作為模板; c)通過(guò)原位加熱的方法進(jìn)行制備.得到各個(gè)傳感器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表1 所示.

表1 不同傳感器的性能結(jié)果比較Table 1.Comparison of performance results for different sensors.

5 結(jié)論

本文介紹了一種簡(jiǎn)單、可控、通用的方法,可直接在低功率微加熱平臺(tái)上局部生長(zhǎng)有序金屬氧化物空心球陣列,形成緊密集成的超靈敏氫氣氣體傳感器.微加熱芯片的局部表面修飾確保了膠體球陣列模板只在活性受熱區(qū)域有選擇性沉積.在SnO2溶液中摻雜 HAuCl4·4H2O 的 PS 小球作為傳感材料制備傳感器,該傳感器具有對(duì) H2的超靈敏性(對(duì)濃度為50 ppm 氫氣的響應(yīng)靈敏度高達(dá)100)和高特異性(不受乙醇等常見(jiàn)石化氣體干擾)、低功耗和便攜性的優(yōu)點(diǎn).通過(guò)對(duì)不同工作天數(shù)下傳感器對(duì)氣體的響應(yīng)對(duì)比,傳感器的工作時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)35 天,因此納米傳感器的穩(wěn)定性為35 天.結(jié)果表明,使用模板法通過(guò)原位加熱合成制備出的氫氣傳感器具有低功耗、高靈敏度和高特異性,應(yīng)用前景廣闊,并可擴(kuò)展到易于摻雜和多層多孔納米結(jié)構(gòu)的通用半導(dǎo)體氧化物氣體傳感器.

這種原位空心納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的方法極大地簡(jiǎn)化和加強(qiáng)了傳感材料與微加熱器平臺(tái)的集成,避免了傳統(tǒng)預(yù)合成材料集成方法面臨的納米材料聚集和電接觸不良的問(wèn)題,并最大化了傳感性能.由于其靈活性和可擴(kuò)展性,該方法可以擴(kuò)展到各種其他金屬氧化物及其組合,還可制作基于中空納米結(jié)構(gòu)和異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的氣體傳感器,具有優(yōu)秀的靈敏度和選擇性,適用于日益多樣化的應(yīng)用.