新型ZnO納米線可顯著降低濕度對(duì)SAW紫外傳感器的影響

聲表面波（SAW）技術(shù)由于其小型化、便攜性、與微電子集成的潛力以及無源/無線等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于紫外（UV）檢測(cè)。為了提高紫外靈敏度，納米線（nanowires，NWs），例如ZnO，由于其高度多孔和互連的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及良好的紫外靈敏度，經(jīng)常被應(yīng)用于提高基于SAW的紫外檢測(cè)能力。然而，ZnO納米線通常是親水性的，因此，環(huán)境參數(shù)（例如濕度）的變化將顯著影響基于SAW的紫外傳感器的檢測(cè)精度和靈敏度。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了解決上述問題，近日，湖南大學(xué)提出了一種新的策略，使用包裹有疏水性二氧化硅納米顆粒的ZnO納米線作為有效的敏感層。對(duì)這些疏水性二氧化硅納米顆粒的分布和化學(xué)鍵的分析表明，在敏感層的表面上發(fā)現(xiàn)了大量C-F鍵（疏水性），這有效地阻止了水分子在ZnO納米線上的吸附。這種新的敏感層設(shè)計(jì)在10-70%的相對(duì)濕度范圍內(nèi)，最大限度地降低了濕度對(duì)基于ZnO納米線的紫外傳感器的影響。該傳感器具有9.53ppm（mW/cm2）?1的紫外靈敏度、高線性度（R2值為0.99904）、小遲滯（<1.65%）和良好的重現(xiàn)性。

在這項(xiàng)工作中，研究人員將疏水性二氧化硅納米顆粒包裹在ZnO納米線表面。該敏感層的設(shè)計(jì)方法下圖所示，有效地整合了這兩種納米材料的優(yōu)點(diǎn)。為了制造SAW紫外傳感器，使用滴涂工藝將敏感材料涂覆到SAW器件的聲波傳播區(qū)域上，然后在45?°C下干燥30?分鐘以形成紫外敏感層。

基于SAW敏感層的紫外檢測(cè)和傳感測(cè)試系統(tǒng)示意圖

為了優(yōu)化工藝參數(shù)，研究人員制備了四種類型的ZnO納米線敏感層。ZnO納米線彼此堆疊并交錯(cuò)以形成大量的多孔互連網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建出具有大表面體積比的3D多孔結(jié)構(gòu)，從而提高SAW傳感器的傳感性能。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，疏水性二氧化硅納米顆粒包裹在ZnO納米線的表面，可以有效地將其表面由親水性調(diào)節(jié)為疏水性。進(jìn)一步地，研究人員使用XPS分析證實(shí)了疏水性C-F鍵的形成。

LiNbO?襯底上四種敏感層的表征

四種敏感層中C、F和Si元素的元素分布圖

SAW紫外傳感響應(yīng)可分為由聲電效應(yīng)引起的快速響應(yīng)過程和由熱效應(yīng)引起的慢速響應(yīng)過程。我們可以通過提高聲電效應(yīng)的響應(yīng)速度來進(jìn)一步提高這種器件的紫外響應(yīng)速度（因?yàn)闊嵝?yīng)不會(huì)使該數(shù)值增加太多）。石墨烯量子點(diǎn)（Graphene quantum dots，GQDs）先前被添加到ZnO納米線中，可以為ZnO納米線提供更多的氧吸附位點(diǎn)。這種新的復(fù)合材料（即ZnO納米線和石墨烯量子點(diǎn)層+疏水層）將加速器件表面上氧分子的吸附和解吸過程，從而縮短響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間。使用這種新的復(fù)合敏感層，在高光強(qiáng)度（89?mW/cm2）下，響應(yīng)時(shí)間可以降至134秒，恢復(fù)時(shí)間降至189秒。值得注意的是，在低光強(qiáng)度（11?mW/cm2）下，響應(yīng)時(shí)間降到9秒，恢復(fù)時(shí)間降至40秒。與先前的許多研究相比，研究人員所開發(fā)的濕度不敏感型SAW紫外傳感器在低光強(qiáng)度下具有相對(duì)更好的靈敏度和更快的響應(yīng)速度。

具有新敏感層的SAW傳感器的性能測(cè)試結(jié)果

總之，研究人員提出了一種新的策略，通過使用一種新的混合材料設(shè)計(jì)——將疏水性二氧化硅納米顆粒包裹在ZnO納米線表面，從而將ZnO納米線的性能從親水狀態(tài)調(diào)節(jié)到疏水狀態(tài)。這種新設(shè)計(jì)的敏感層在10–70%相對(duì)濕度范圍內(nèi)顯著降低了濕度對(duì)ZnO納米線紫外傳感器的干擾，該傳感器表現(xiàn)出9.53ppm（mW/cm2）?1的紫外靈敏度、高線性度（R2值為0.99904）、小遲滯（小于1.65%）和良好的重現(xiàn)性。研究了使用混合材料減小濕度效應(yīng)的構(gòu)造方法，并探討了SAW紫外檢測(cè)的聲電效應(yīng)和熱效應(yīng)的傳感機(jī)理。此外，研究人員提出了一種AI算法（隨機(jī)森林算法）來區(qū)分環(huán)境溫度和紫外線效應(yīng)。這項(xiàng)工作解決了濕度對(duì)ZnO納米線傳感器嚴(yán)重影響的長(zhǎng)期難題，并在各種環(huán)境濕度條件下監(jiān)測(cè)紫外線水平方面具有巨大潛力。

審核編輯：湯梓紅