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中國(guó)科大在高選擇性室溫半導(dǎo)體傳感器研發(fā)方面取得重要進(jìn)展


  來源: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 時(shí)間:2024-02-28 編輯:清風(fēng)
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近日,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(以下簡(jiǎn)稱“火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室”)孫金華教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于光激發(fā)Pd@MOF衍生多孔納米復(fù)合材料的超高效室溫傳感氣體鑒別方案,實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立傳感器在室溫下對(duì)氫氣的準(zhǔn)確識(shí)別。相關(guān)研究成果在能源與材料領(lǐng)域國(guó)際知名期刊Journal of Materials Chemistry A上發(fā)表題為"Ultra-effective room temperature gas discrimination based on monolithic Pd@MOF-derived porous nanocomposites: An exclusive scheme with photoexcitation"的封面論文,并被期刊同期重點(diǎn)推薦。


期刊封面及推薦頁(yè)(2024,Volume 12, Issue 7)


金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)化學(xué)電阻傳感器由于具有穩(wěn)定性高、重復(fù)性好以及易于小型化等顯著優(yōu)點(diǎn),已成為環(huán)境監(jiān)測(cè)與可燃?xì)怏w檢測(cè)領(lǐng)域最具發(fā)展前景的傳感技術(shù)之一。然而,該類傳感器受限于金屬氧化物半導(dǎo)體材料表面吸附氧的傳感機(jī)制,其通常需要加熱至300~500℃的較高工作溫度才能實(shí)現(xiàn)傳感功能,高的核心工作溫度不僅在可燃?xì)怏w環(huán)境中帶來了高溫引燃的潛在風(fēng)險(xiǎn),還大大增加了系統(tǒng)的功耗。此外,目前金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)基傳感器通常表現(xiàn)出很高的交叉靈敏度,這意味著對(duì)相同類型的氣體(如H2、CH4、CO等易燃?xì)怏w)具有相似的響應(yīng)特性,很難準(zhǔn)確的識(shí)別相關(guān)場(chǎng)景的泄漏氣體種類。盡管高階傳感陣列可以作為氣體識(shí)別的一種方案,但其高昂的成本和器件尺寸使其難以滿足實(shí)際應(yīng)用中對(duì)小型化和大規(guī)模制造的需求。尤其是近年來隨著全球能源危機(jī)的出現(xiàn)以及“雙碳”目標(biāo)的提出,可燃?xì)怏w傳感器除了在石油化工、航空航天以及核能監(jiān)測(cè)等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用以外,新興的應(yīng)用場(chǎng)景如燃料電池、電化學(xué)儲(chǔ)能以及摻氫甲烷燃料等技術(shù)領(lǐng)域?qū)扇細(xì)怏w(尤其是氫氣)的檢測(cè)提出了更多樣化的需求以及更高的標(biāo)準(zhǔn)。因此,研發(fā)在室溫下具有高選擇性的氣體傳感技術(shù)對(duì)能源領(lǐng)域的安全發(fā)展與監(jiān)測(cè)預(yù)警具有重要意義。

為解決半導(dǎo)體基傳感器工作溫度高與選擇性差的難題,孫金華教授團(tuán)隊(duì)提出了一種從材料源頭設(shè)計(jì)的有效方案,通過光激發(fā)巧妙地實(shí)現(xiàn)了材料表面的室溫激活,同時(shí)借助優(yōu)化熱處理后Pd@MOF衍生金屬氧化物半導(dǎo)體材料的多孔特性以及Pd納米團(tuán)簇對(duì)H2分子的特殊吸附機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了單片傳感器在室溫下對(duì)氫氣的獨(dú)特高選擇性響應(yīng)。該工作利用信號(hào)模式識(shí)別方法發(fā)現(xiàn)傳感器對(duì)氫氣的響應(yīng)與其他典型可燃?xì)怏w的響應(yīng)特性完全獨(dú)立,這意味著僅基于原始電學(xué)響應(yīng)信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的準(zhǔn)確識(shí)別,從而擺脫了對(duì)復(fù)雜傳感矩陣設(shè)計(jì)的依賴。

該研究工作還通過模擬實(shí)際傳感過程,系統(tǒng)地開展了相關(guān)結(jié)構(gòu)模型的DFT計(jì)算,并結(jié)合能帶結(jié)構(gòu)理論證明了不同Pd態(tài)表面O2分子和H2分子的特殊吸附行為。理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的n型向p型半導(dǎo)體響應(yīng)特征的轉(zhuǎn)變相吻合,為Pd元素在高選擇性材料中的應(yīng)用提供了更加深入的理論基礎(chǔ)。


圖2在室溫下傳感器對(duì)氫氣的獨(dú)特高選擇性響應(yīng)特性


圖3基于實(shí)際傳感構(gòu)型的DFT計(jì)算與能帶結(jié)構(gòu)理論的獨(dú)特敏感機(jī)理研究


這項(xiàng)研究工作提出了一種進(jìn)行高選擇性氣體敏感材料設(shè)計(jì)的同時(shí),實(shí)現(xiàn)室溫氣體傳感的“一石二鳥”新方案,為新型光激發(fā)高選擇性室溫傳感器的研制提供堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)參考與理論依據(jù)。

火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室博士生段佩玉為該論文的第一作者,孫金華教授與金凱強(qiáng)副研究員為論文的共同通訊作者,火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室為論文的第一完成單位。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金的資助。


關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體 傳感器    瀏覽量:13417

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