复旦大学卢红亮教授：基于金属氧化物半导体的柔性室温气体传感器的研究进展

随着物联网技术的快速发展，对便携式气体传感器的需求越来越大。金属氧化物半导体(metal oxide semiconductors, MOS)作为一种最传统、研究最深入的气体传感材料，被广泛用于制备各种商用气体传感器。复旦大学卢红亮教授等从传感机理、气敏性能、柔性特点及主要应用等方面介绍了基于MOS的柔性室温(flexible room-temperature, FRT )气体传感器的最新研究进展。其成果发布在《Nano-Micro Letters》。

 

1.研究亮点

(1)综述了基于金属氧化物半导体(MOS)的柔性室温气体传感器的最新进展。

(2)对基于原始MOS和用贵金属纳米粒子、有机聚合物、碳基材料和过渡金属二硫族化物材料修饰的MOS的柔性室温（FRT）气体传感器进行了细致的评述。

(3)介绍了MOS化学电阻气敏元件的气敏机理，提出了FRT气敏元件的应用、发展前景和面临的挑战。

 

2.金属氧化物半导体柔性室温气体传感器的应用介绍

气体传感器目前广泛应用于智能家居、食品安全监控、公共安全、医疗保健、医疗诊断、环境保护和工业/农业监控。一些新兴应用包括可食用电子胶囊、电子皮肤和智能电子鼻等，对气体传感器的低工作温度、高气体传感性能、良好的抗干扰能力和稳定的机械柔性提出了更高的要求。目前，基于MOS的FRT气体传感器已被报道用于多检测传感器阵列和可穿戴设备，如智能口罩、气体传感手表、电子纺织品等。

 

图1 (a) 智能口罩和智能手表的FRT NO₂监测系统和可穿戴应用；(b) 基于PANI/MOS的传感器阵列的扩展视图、结构组成和物理演示；(c) RGO/ZnO杂化材料对健康个体和口臭患者不同呼出气体的主成分分析3D特征空间；(d) 5×5气体传感器阵列网络用于可穿戴电子纺丝；(e)无线RFID气体传感器

 

3.金属氧化物柔性传感器的各种制备方法

图2. 高性能FRT MOS型化学电阻气体传感器的实现策略

 

策略方法

3.1 贵金属纳米粒子修饰的MOS FRT气体传感器

贵金属的表面改性可以通过化学敏化和电子敏化来进行。化学增感通过贵金属纳米粒子的催化作用，增加了目标气体与化学吸附的氧气之间的化学反应速率，有利于电子更容易迁移，从而增强传感器的性能。

 

图3 贵金属纳米粒子修饰的MOS FRT气体传感器

 

3.2 有机聚合物修饰的MOS FRT气体传感器

有机导电聚合物的气体传感器其电性能可调、合成简单、稳定性、灵活性、环境稳定性优异和RT下工作等优点。

图4 有机聚合物修饰的MOS FRT气体传感器

 

3.3 碳基材料修饰的MOS FRT气体传感器

在碳基材料修饰的MOS中，MOS的主要作用是探测目标气体分子，而碳基材料由于其高电导率、大表面积和丰富的吸附位点，可以作为注入电子的巨大受体。

图5 碳基材料修饰的MOS FRT气体传感器

 

3.4 基于过渡金属硫化物修饰的MOS FRT气体传感器

由于它们的窄带隙、片状纳米结构提供的大表面积以及独特的表面和量子效应引起的。此外，TMDCs具有层状结构，相邻层之间的范德华力较弱，这有利于气体吸附。由于独特的电气特性，TMDCs可以在较低的工作温度下工作，从而降低整体功耗，并且无需外部加热。它还具有优异的固有导电性、热稳定性和氧化稳定性。

图6 基于过渡金属硫化物修饰的MOS FRT气体传感器

 

3.5 光照明MOS FRT气体传感器

光照也是增强气体传感特性的一种优越策略，降低MOS气体传感器的工作温度，并提供了实现FRT MOS气体传感器的独特途径。

图7 光照明MOS FRT气体传感器

 

4.结论

在这篇综述中，系统地分析和总结了FRT MOS气体传感器的最新进展。集中在对FRT气体传感器的批判性审视上，重点关注原始MOS和用纳米结构贵金属、有机聚合物、碳基结构和过渡金属硫化物(TMDC)材料改性的MOS的混合体。此外，还总结了基于光照射MOS的FRT气体传感器。从材料设计、交替激活和机制解释的角度讨论了实现FRT气体传感器的策略。文章中讨论的各种类型的传感器表明，出色的机械柔性气体传感器是与柔性基板（聚合物基板、纺织品、纸基基板等）、器件结构以及基板和传感材料之间稳定接触的适当组合。同时，高性能RT气体传感器是形貌纳米结构、杂化材料和协同界面效应的合理组合。该综述对新型FRT MOS气体传感器的设计、制造和开发具有相当的参考价值。

 

 

转载自纳微快报科学网博客：https://blog.sciencenet.cn/blog-3411509-1363285.html

原文链接:https://doi.org/10.1007/s40820-022-00956-9

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