复旦大学在新型气敏材料及MEMS气敏器件研究中取得新进展

近日，复旦大学微电子学院教授卢红亮（通讯作者）领导的团队首次结合硬模板法、原子层沉积技术和水热工艺，在低功耗MEMS器件上原位合成了单层有序SnO2纳米碗支化ZnO纳米线的多级异质复合纳米材料，并以此作为气体传感器，对浓度低至1ppm的硫化氢实现了超灵敏和高选择性的探测。相关成果以《Hierarchical highly ordered SnO2 nanobowls branched ZnO nanowires for ultrasensitive and selective hydrogen sulfide gas sensing》为题发表在国际顶级期刊Microsystems & Nanoengineering上（https://doi.org/10.1038/s41378-020-0142-6），此期刊由中国科学院电子学研究所与原Nature出版集团合作出版，是原Nature出版集团合作出版的第一本工程类期刊，在微系统与纳米工程领域已产生了广泛的影响。

近年来，基于金属氧化物半导体纳米材料的新型气体传感器受到了极大关注，已经广泛应用于气体泄漏警报、环境气体监测和工业气体分析等各个领域。工业生产中的常见产物H2S是危险的有害气体之一，其对人体具有极大危害。微量的H2S就足以破坏人体呼吸系统，造成无意识的神经后遗症和心血管相关疾病。鉴于此，制备能够有效监测周围生活环境中H2S含量的超灵敏气体传感器具有重要意义，引起了广泛的研究兴趣。

目前常见的传感器制备技术是将纳米传感材料印刷或滴涂到陶瓷管或MEMS器件上，极大地限制了传感器的可靠性和可重复性。因此，一种能够将纳米传感材料和MEMS微加热基底无缝集成的制备技术对于开发高稳定性和低功耗的高性能气体传感器至关重要。近年研发的一种原位合成单层大孔材料的硬膜板法能够较好地满足上述要求。原位制备工艺不仅适合晶圆级的制备，而且能够有效降低接触电阻，进一步提升器件性能。此外，单一敏感材料的气体传感器往往存在选择性差、响应/恢复时间长等问题。多级结构的构建有利于增加材料的比表面积，同时能够在母体和次级纳米结构间的界面形成更多的同质/异质结，已被广泛认为是有效提升气敏性能的方法之一。而考虑到不同材料间不同性能的协同效应，异质结构的纳米多级复合材料其气敏性能优于同质多级纳米结构。

本项研究设计的MEMS式单层有序SnO2纳米碗支化ZnO纳米线器件在250℃的工作温度下，对1ppm硫化氢的响应（Ra/Rg）高达6.24，其响应变化率（5.24）约为单层有序SnO2纳米碗器件的2.6倍，同时具有较快的响应/恢复速度。此外，对该MEMS式单层有序SnO2纳米碗支化ZnO纳米线器件的气敏性能重复测量了一个月，证实其具有较好的长期稳定性和可重复性。多级异质结构不仅有效增加了材料的比表面积，提升了材料的气体吸附能力，同时异质结提高了材料的气敏响应能力。此外，我们的传感材料原位制备于MEMS器件上，具有低功耗和可集成化的优势，为气体监测领域开发高灵敏度、高稳定性的气体传感器提供了坚实的技术支持。

卢红亮教授领衔的智能微纳传感芯片及系统课题组正大力开展基于各种纳米复合材料的微纳智能传感器及集成系统的研究，包括气体传感器、光电传感器及微系统芯片等方面的应用探索。最近，多项微纳智能传感器研究成果已发表于Nano Energy、ACS Applied Materials & Interfaces、Microsystems & Nanoengineering和Sensors and Actuators B: Chemical等顶级期刊。

图1 在MEMS器件上原位合成单层有序SnO2纳米碗支化ZnO纳米线的多级异质复合纳米材料的合成路线图

图2 单层有序SnO2纳米碗支化ZnO纳米线的多级异质复合纳米材料的SEM图

图3 单层有序SnO2纳米碗支化ZnO纳米线的多级异质复合纳米材料的TEM图

图4 MEMS基H2S传感器气敏性能测试

图5 MEMS基H2S传感器气敏作用机理