澳洲国立大学傅岚教授与Tricoli教授《Adv. Funct. Mater.》: 用于高性能微型化学传感的半导体纳米线阵列

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澳洲国立大学傅岚教授团队和 Antonio Tricoli 教授团队合作发表的《Adv. Funct. Mater》: 用于高性能微型化学传感的半导体纳米线阵列电阻型化学传感器是实现便携式和微型化传感最有潜力的技术之一，可应用于空气质量监测、爆炸物检测、医疗诊断，等等。近期，越来越多的研究开始关注能够在室温下具有高灵敏度、选择性、实时监测、长期稳定性和低成本的基于微型芯片的化学传感器，以期实现商业化应用。澳洲国立大学傅岚教授团队和 Antonio Tricoli 教授团队合作发表了题为“Semiconductor Nanowire Arrays for High-Performance Miniaturized Chemical Sensing”的文章在 《 Advanced Functional Materials》期刊上（DOI: 10.1002/adfm.202107596）。制造微型传感器对于准确实时监测一种主要空气污染物--二氧化氮（NO2）的水平非常重要。该课题组首次研究出了由垂直构型的磷化铟（InP）纳米线 (NW) 阵列组成的高性能微型化学电阻气体传感器，并展示了这种传感器选择性检测 NO2 的潜力。这种 InP NW 阵列是通过制备纳米级图案化掩膜版并且进行自上而下刻蚀的方法制备的。通过精心调控 NW 阵列的 几何构型（即直径和间距），这项工作实现了比其他已有的化学电阻 NO2 传感器的更好的传感性能，在室温下获得了 3.1 ppb 的检测极限、出色的选择性，快速响应和长期稳定性。动力学分析和电学模拟进一步揭示了纳米线阵列几何构 型相关的传感机制，为未来基于 NW 阵列的传感器设备的设计和研发提供了一种新的思路和方法。这些的研究结果表明，由于独特的纳米级结构、材料特性和 CMOS 兼容的制造工艺，III-V 族化合物半导体纳米线阵列为未来高性能、小型化传感系统平台的开发提供了新的材料类型和微观构型，在未来的研究中有重要的意义。

示意图 1 InP 纳米线阵列气体传感器工作示意图

图 2 (a) 原始 InP 纳米线。(b) 制备成的纳米线气体传感器横截面图。


图 3 (a-c)直径 100, 200, 300 nm 的 InP 纳米线样品（间距均为 1000 nm）传感响应测试，NO2浓度为2-8 ppm 的。传感器响应计算公式：R = (I0-Igas)/I0。(d) 传感选择性测试，包括 NO2、甲醇、亚硝酸甲酯、乙醇、CO2和丙烷，浓度均为 2 ppm。

图 4 (a-c) 不同间距的 InP 纳米线 1000、600、400 nm （直径均为 100 nm）对 NO2 的传感器响应曲线，NO2浓度为200-1000 ppb。(d) NO2的检测限测试。(e) 选择性测试，包括 NO2、乙醇、亚硝酸甲酯、甲醇、CO2、丙烷和丙酮，浓度均为 1 ppm。(f) 传感器的空气稳定性测试，两个月内每周测量试样品对 100 ppb NO2的响应度。

图 5 (a) 通过将实时传感器响应曲线拟合到 Langmuir 等温线模型来量化 NO2 与 InP 纳米线传感器的吸附速率。(b) 不同间距和直径的样品传感曲线拟合得到的相关常数 KA 和传感响应。(c) NO2 传感响应时 InP 纳米线的能带示意图。(d) 模拟 100、200、300 nm 的 InP 纳米线在 NO2 传 感直径方向上的电子浓度。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107596

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