復(fù)旦大學(xué)在新型氣敏材料及MEMS氣敏器件研究中取得新進(jìn)展

近日，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院教授盧紅亮（通訊作者）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)首次結(jié)合硬模板法、原子層沉積技術(shù)和水熱工藝，在低功耗MEMS器件上原位合成了單層有序SnO2納米碗支化ZnO納米線的多級(jí)異質(zhì)復(fù)合納米材料，并以此作為氣體傳感器，對(duì)濃度低至1ppm的硫化氫實(shí)現(xiàn)了超靈敏和高選擇性的探測。相關(guān)成果以《Hierarchical highly ordered SnO2 nanobowls branched ZnO nanowires for ultrasensitive and selective hydrogen sulfide gas sensing》為題發(fā)表在國際頂級(jí)期刊Microsystems & Nanoengineering上（https://doi.org/10.1038/s41378-020-0142-6），此期刊由中國科學(xué)院電子學(xué)研究所與原Nature出版集團(tuán)合作出版，是原Nature出版集團(tuán)合作出版的第一本工程類期刊，在微系統(tǒng)與納米工程領(lǐng)域已產(chǎn)生了廣泛的影響。

近年來，基于金屬氧化物半導(dǎo)體納米材料的新型氣體傳感器受到了極大關(guān)注，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣體泄漏警報(bào)、環(huán)境氣體監(jiān)測和工業(yè)氣體分析等各個(gè)領(lǐng)域。工業(yè)生產(chǎn)中的常見產(chǎn)物H2S是危險(xiǎn)的有害氣體之一，其對(duì)人體具有極大危害。微量的H2S就足以破壞人體呼吸系統(tǒng)，造成無意識(shí)的神經(jīng)后遺癥和心血管相關(guān)疾病。鑒于此，制備能夠有效監(jiān)測周圍生活環(huán)境中H2S含量的超靈敏氣體傳感器具有重要意義，引起了廣泛的研究興趣。

目前常見的傳感器制備技術(shù)是將納米傳感材料印刷或滴涂到陶瓷管或MEMS器件上，極大地限制了傳感器的可靠性和可重復(fù)性。因此，一種能夠?qū)⒓{米傳感材料和MEMS微加熱基底無縫集成的制備技術(shù)對(duì)于開發(fā)高穩(wěn)定性和低功耗的高性能氣體傳感器至關(guān)重要。近年研發(fā)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(jí)的制備，而且能夠有效降低接觸電阻，進(jìn)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(yīng)/恢復(fù)時(shí)間長等問題。多級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建有利于增加材料的比表面積，同時(shí)能夠在母體和次級(jí)納米結(jié)構(gòu)間的界面形成更多的同質(zhì)/異質(zhì)結(jié)，已被廣泛認(rèn)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(xié)同效應(yīng)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米多級(jí)復(fù)合材料其氣敏性能優(yōu)于同質(zhì)多級(jí)納米結(jié)構(gòu)。

本項(xiàng)研究設(shè)計(jì)的MEMS式單層有序SnO2納米碗支化ZnO納米線器件在250℃的工作溫度下，對(duì)1ppm硫化氫的響應(yīng)（Ra/Rg）高達(dá)6.24，其響應(yīng)變化率（5.24）約為單層有序SnO2納米碗器件的2.6倍，同時(shí)具有較快的響應(yīng)/恢復(fù)速度。此外，對(duì)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(fù)測量了一個(gè)月，證實(shí)其具有較好的長期穩(wěn)定性和可重復(fù)性。多級(jí)異質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅有效增加了材料的比表面積，提升了材料的氣體吸附能力，同時(shí)異質(zhì)結(jié)提高了材料的氣敏響應(yīng)能力。此外，我們的傳感材料原位制備于MEMS器件上，具有低功耗和可集成化的優(yōu)勢，為氣體監(jiān)測領(lǐng)域開發(fā)高靈敏度、高穩(wěn)定性的氣體傳感器提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。

盧紅亮教授領(lǐng)銜的智能微納傳感芯片及系統(tǒng)課題組正大力開展基于各種納米復(fù)合材料的微納智能傳感器及集成系統(tǒng)的研究，包括氣體傳感器、光電傳感器及微系統(tǒng)芯片等方面的應(yīng)用探索。最近，多項(xiàng)微納智能傳感器研究成果已發(fā)表于Nano Energy、ACS Applied Materials & Interfaces、Microsystems & Nanoengineering和Sensors and Actuators B: Chemical等頂級(jí)期刊。

圖1 在MEMS器件上原位合成單層有序SnO2納米碗支化ZnO納米線的多級(jí)異質(zhì)復(fù)合納米材料的合成路線圖

圖2 單層有序SnO2納米碗支化ZnO納米線的多級(jí)異質(zhì)復(fù)合納米材料的SEM圖

圖3 單層有序SnO2納米碗支化ZnO納米線的多級(jí)異質(zhì)復(fù)合納米材料的TEM圖

圖4 MEMS基H2S傳感器氣敏性能測試

圖5 MEMS基H2S傳感器氣敏作用機(jī)理