一種基于關(guān)聯(lián)二維電子氣的廣譜氣體傳感器設(shè)計(jì)

廣譜氣體傳感器在化學(xué)合成、地質(zhì)科學(xué)和行星探測(cè)等前沿領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用需求，開發(fā)能夠在復(fù)雜環(huán)境（例如多種混合氣體或極端溫度）中精準(zhǔn)識(shí)別氣體成分的廣譜氣體傳感器對(duì)于這些技術(shù)領(lǐng)域至關(guān)重要。目前的主要挑戰(zhàn)是尋找既具有高化學(xué)穩(wěn)定性又具備寬工作溫度范圍的材料。通過(guò)非化學(xué)方法增強(qiáng)信號(hào)的新材料，有望為廣譜氣體檢測(cè)開辟新的傳感路徑。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室和荷蘭特溫特大學(xué)MESA+納米技術(shù)研究所等機(jī)構(gòu)的研究人員聯(lián)合開發(fā)出一種基于LaFeO?摻雜LaAlO?/SrTiO?界面關(guān)聯(lián)二維電子氣（C-2DEG）的廣譜氣體傳感器。這種獨(dú)特的廣譜C-2DEG氣體傳感器不受混合氣體的影響，并且能保持較寬的工作溫度范圍，其測(cè)量依賴于簡(jiǎn)單的電阻變化讀數(shù)。這項(xiàng)研究為廣譜氣體檢測(cè)提供了一種低成本且高效的解決方案。相關(guān)研究成果以“A broad-spectrum gas sensor based on correlated two-dimensional electron gas”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。

圖1 本研究提出的廣譜C-2DEG氣體傳感器

高遷移率二維電子氣（2DEG）是在SrTiO?和LaAlO?這兩種絕緣體界面上發(fā)現(xiàn)的，這一發(fā)現(xiàn)極大地拓寬了關(guān)聯(lián)氧化物電子學(xué)的研究領(lǐng)域，并催生了革命性的技術(shù)應(yīng)用。C-2DEG的電子態(tài)可以通過(guò)外場(chǎng)調(diào)控輕松實(shí)現(xiàn)，該機(jī)制顯示了其推進(jìn)氧化物電子器件革新的巨大潛力。

在這項(xiàng)研究工作中，研究人員探討了在LaAlO?/SrTiO?界面摻雜LaFeO?引起的金屬-絕緣體非易失性轉(zhuǎn)變，利用2DEG的外場(chǎng)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了界面載流子的非易失性耗盡。較低的界面載流子濃度會(huì)在相同分壓下導(dǎo)致對(duì)相同氣體產(chǎn)生更大的電阻響應(yīng)，通過(guò)在LaAlO?/SrTiO?界面摻雜LaFeO?可以顯著降低界面載流子濃度，從而提高了其對(duì)氣體的敏感性。

圖2 廣譜C-2DEG氣體傳感器的機(jī)理

廣譜C-2DEG氣體傳感器在復(fù)雜混合氣體環(huán)境中的靈敏度是其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵特性之一。為了評(píng)估其性能，研究人員在綜合物性測(cè)量系統(tǒng)（PPMS）腔內(nèi)混合了4.5 Torr多組分氣體（95% CO? + 3% N? + 2% CO）以模擬火星大氣。結(jié)果表明，即使在含有多種氣體的低壓環(huán)境中，該廣譜C-2DEG氣體傳感器仍然能夠靈敏識(shí)別不同的氣體成分，并且氣體檢測(cè)分壓低至90 mTorr。

圖3 廣譜C-2DEG氣體傳感器的外場(chǎng)調(diào)控電阻響應(yīng)

為了進(jìn)一步定量確定廣譜C-2DEG氣體傳感器的檢測(cè)限，研究人員分析了氣體升華或沸騰時(shí)電導(dǎo)斜率的瞬時(shí)變化與氣體分壓的關(guān)系。擬合結(jié)果表明，CO?和C?H?的檢測(cè)限分別為0.025 Torr和0.40 Torr，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境下分別相當(dāng)于33 ppm和530 ppm，這一結(jié)果顯著優(yōu)于目前已有報(bào)道的金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）氣體傳感器的檢測(cè)限。

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，低溫并非廣譜C-2DEG氣體傳感器工作的必要條件，只要溫度低于氣體的凝固點(diǎn)，通過(guò)外場(chǎng)調(diào)控即可激活傳感器，這意味著廣譜C-2DEG氣體傳感器能夠在極其寬的溫度范圍內(nèi)工作。

圖4 廣譜C-2DEG氣體傳感器的性能

總而言之，基于LaFeO?摻雜LaAlO?/SrTiO?界面的廣譜C-2DEG氣體傳感器具有優(yōu)異的廣譜氣體敏感性，能夠精確測(cè)量氣體分壓，并有效檢測(cè)包括惰性氣體（如N?）、稀有氣體（如Ar）、極性氣體（如CH?）以及非極性氣體在內(nèi)的多種氣體，其檢測(cè)限可達(dá)mTorr級(jí)別甚至更低。特別是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，CO?的檢測(cè)限值相當(dāng)于33 ppm，與目前已有報(bào)道的最佳MOS氣體傳感器性能相媲美。此外，這種由外場(chǎng)調(diào)控引發(fā)的非易失性金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變極其迅速，甚至可達(dá)到超快速度，這對(duì)器件的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。未來(lái)，研究人員將繼續(xù)探索以進(jìn)一步提升廣譜C-2DEG氣體傳感器的響應(yīng)速度，以期實(shí)現(xiàn)更高的檢測(cè)效率和更廣泛的應(yīng)用前景。

審核編輯：劉清