基于可打印多晶微米线阵列的高性能柔性气体传感器

当前,气体传感器作为探测环境成分的元件,已被广泛地应用于日常生活和工业生产当中。研制实时、高效、稳定的气体传感器,将有助于实现危险气体的实时报警、灾害事故现场保护装置的故障指示以及污染气体的有效处理。随着科学技术的进步,人们对电子商品的性能要求逐渐增高,例如柔性、可穿戴电子商品概念的出现,使传统的硬质衬底气体传感器面临挑战。目前,柔性气体传感器不仅在监测大气污染物等方面有普遍的应用,在医学、生物学、日常生活等方面也有不可替代的作用,开发柔性气体传感器就成为目前亟待解决的问题。而敏感材料是柔性气体传感器的重要构成部分之一,对气体传感器的柔性,气敏响应性能和机械稳定性都有重要的作用。传统的无机氧化物气体传感材料常需高温操作,且选择性较差。因此结合新型打印技术,研究室温下具有灵敏高选择性的柔性气体传感器具有较大的研究意义和应用前景。

近日,中国科学院半导体研究所沈国震研究员和吉林大学王丽丽副教授创新性的采用新型近场直写技术,可直接在柔性基底上打印出高度有序的多晶氧化物微纳米线阵列,设计并制备出室温下对NH3具有高灵敏度、快速响应及高机械稳定的新型柔性气体传感器。这种近场直写技术保证了纤维阵列的高度有序性,从而极大的扩展了其在精密微电子和柔性电子器件等领域的应用。研究发现,与单晶锗酸锌纳米线相比,锗酸锌多晶微米线具有更高的灵敏度,更快的响应恢复速度以及更好的机械稳定性,这主要归功于多晶微米线存在大量的晶界结构,其是影响影响材料电子、催化和机械性能的关键参数。同时缺陷的存在使得催化反应具有极好的电子输运,并且晶界中的缺陷产生大量用于吸收氨气分子的高活性位点,导致灵敏度比单晶结构提高了大约6.5倍。此外,具有晶界结构的多晶微米线具有优异的机械性能,即使经过几十次的弯曲循环也没有发生明显的性能衰减。同时在弯曲条件下,所制备的柔性气体传感器也能够对NH3具有很好的响应,表明了其在未来可穿戴电子中的应用潜力。研究团队还结合密度泛函理论(DFT)理论计算以及原子力显微镜(AFM)技术证实了出上述气敏特性的物理与化学本质。这一研究通过理论与实验的相互验证对研制高性能室温气体传感器提供了一种新思路。该工作发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201804583)上。

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