安光所提出一种提升半导体气体传感器灵敏度的新途径

灵敏度是衡量氧化物半导体气体传感器性能的一个重要指标，提升灵敏度是传感器研究的焦点之一，常用的策略是增强敏感材料的表面活性，即化学增敏，实现方案包括形貌（尺寸、裸露晶面）控制、贵金属修饰、（掺杂/退火/等离子处理）缺陷调控等。现有的化学增敏途径虽可显著提高材料灵敏度，但也存在不足：首先，化学增敏需要在微观层面精细调控材料，往往需要大量的正交实验优化得到最佳工艺，合成要求较高、工艺复杂；其次，不同敏感材料的晶体结构、生长习性各不相同，更换新的材料体系时，通常需要重新摸索实验方案，方法的普适性差。

金属氧化物气体传感材料通常需要在高温工作以产生足够的活性氧（ROS）参与表面氧化还原反应，然而高温会激发更多载流子，而且高温测试也不利于待测气体分子的吸附，因此，传统的传感器工作模式（恒定高温测量模式）并没有完全发挥传感材料的性能。为解决上述问题，安光所激光中心方晓东研究员、孟钢研究员团队通过解析传感器信号的产生，将气体传感器的电学响应来源拆分为两个界面：气体分子与材料表面的氧化还原反应界面（第一界面），该界面需在高温工作以产生足够的ROS；与传感材料本身的电学性质相关的电信号（电阻）读出界面（第二界面），该界面需在低温工作以利于待测气体分子的吸附，并降低体系的载流子浓度。在此基础上，团队提出利用化学吸附分子的“淬火”效应，通过脉冲温度调制（PTM）解除两个界面的耦合来放大传感器的电学响应。团队以WO3纳米颗粒为研究对象，采用PTM测试模式，使传感器对NO2、H2S和VOCs的灵敏度比传统恒温测试模式提升了1-2个数量级，接近或超过现有化学增敏WO3传感器的最高纪录。PTM通过物理的方法放大传感第二界面的电学响应，方法简单、增敏幅度大、普适性好（对NiO基传感器同样适用）。

此外，采用尺寸、功耗更低的微机电系统（MEMS）微热台进行PTM测试，在提升灵敏度的同时，可将传感器功耗进一步降低至10 mW量级，为后续高灵敏、低功耗、超微型智能分子传感系统的开发奠定了坚实的基础。

相关成果以“Generic approach to boost the sensitivity of metal oxide sensors by decoupling the surface charge exchange and resistance reading process”为题，发表于ACS Applied Materials & Interfaces杂志上。

图(a)WO3 MEMS传感器；(b)PTM（物理）增敏结果