復(fù)旦大學(xué)在新型MEMS基ppb級硫化氫氣體傳感器研究中取得進(jìn)展

近日，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院盧紅亮教授課題組首次結(jié)合熱氧化工藝、原子層沉積（ALD）工藝和溶劑熱工藝合成了金屬有機(jī)框架（MOF）修飾的α-Fe2O3@ZnO@ZIF-8核殼異質(zhì)納米線材料，并以此制備了低功耗MEMS基硫化氫（H2S）氣體傳感器，對濃度低至200 ppb H2S實(shí)現(xiàn)了超靈敏和高選擇性的探測。相關(guān)成果以“Heterostructured α-Fe2O3@ZnO@ZIF-8 Core–Shell Nanowires for a Highly Selective MEMS-Based ppb-Level H2S Gas Sensor System”為題發(fā)表在國際頂級期刊Small上。復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院盧紅亮教授為本文通訊作者，博士研究生朱立遠(yuǎn)為第一作者。

H2S是一種酸性有害腐蝕性氣體，其化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，與空氣混合燃燒時會發(fā)生爆炸，泄漏會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。除此之外，H2S還會對人體健康造成極大危害，高濃度時會導(dǎo)致意識突然喪失，甚至昏迷窒息致死。因此，開發(fā)靈敏度高、響應(yīng)迅速、穩(wěn)定性好的H2S氣體傳感器，對環(huán)境中H2S的濃度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控意義重大。

隨著新材料的研究不斷深入，MOF材料在氣體傳感領(lǐng)域展現(xiàn)了極大的應(yīng)用前景。MOF多孔納米材料由金屬離子和有機(jī)配體自組裝而成，具有孔隙率高、比表面積大、孔道規(guī)則和功能可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。因此，金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）異質(zhì)外延MOF材料，不僅擁有異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠有效增加材料本身的耗盡層，提高材料對氣體的響應(yīng)度和靈敏度，同時外延的MOF材料擁有規(guī)則的孔隙，能夠有效阻隔尺寸大于孔隙的氣體分子，從而大幅提升氣體傳感的選擇性，有效解決純MOS材料選擇性較差的問題。據(jù)我們所知，目前還沒有關(guān)于設(shè)計和制備形貌和組分可控的氧化鐵納米線原位異質(zhì)外延MOF納米材料并用于氣體傳感領(lǐng)域的報道。

本研究提出了一種新型高效的大規(guī)模制備α-Fe2O3納米線異質(zhì)外延ZnO@ZIF-8微孔納米材料的合成路線，具體方案是首先通過工藝簡單的熱氧化法制備核層α-Fe2O3納米線，然后借助ALD技術(shù)異質(zhì)外延ZnO作為籽晶層，并通過溶劑熱工藝進(jìn)一步外延MOF材料ZIF-8，最終得到α-Fe2O3納米線異質(zhì)外延ZnO@ZIF-8的微孔納米材料。

其中，采用先進(jìn)的ALD技術(shù)能夠?qū)nO籽晶層的合成實(shí)現(xiàn)原子層級精確控制，同時采用簡單的溶劑熱法，具有可重復(fù)性好、成品率高、制備效率高等優(yōu)點(diǎn)，為規(guī)模化制備新型異質(zhì)MOS@MOF氣敏納米材料提供了一種全新的思路。此外，ZnO薄膜的厚度和有機(jī)配體反應(yīng)物的濃度經(jīng)過精心調(diào)控，以研究其生長機(jī)制以及對最終異質(zhì)MOS@MOF納米材料的形貌、組分和H2S傳感特性的影響。

制備得到的MOF基異質(zhì)微孔納米線氣敏材料具有孔隙率高、比表面積大、熱穩(wěn)定性較優(yōu)等特點(diǎn)，能夠?qū)pb級微量硫化氫氣體實(shí)現(xiàn)超靈敏、高精度、高選擇性的探測。即使在50 ℃相對較低的工作溫度下，該傳感器對0.2-10 ppm H2S表現(xiàn)出可識別的響應(yīng)，揭示了其在集成可穿戴柔性設(shè)備中的應(yīng)用潛力。此外，本研究還開發(fā)了低功耗MEMS基H2S氣體傳感器系統(tǒng)，在將來智慧城市等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

圖1 (a) αFe2O3@ZnO@ZIF-8核殼異質(zhì)納米線的合成路線圖；(b) MEMS器件結(jié)構(gòu)圖；(c) MEMS基氣體傳感系統(tǒng)搭建示意圖

圖2 精心調(diào)控形貌、組分的α-Fe2O3@ZnO@ZIF-8異質(zhì)納米線的SEM表征結(jié)果和ALD生長速率分析圖

圖3 H2S氣體傳感性能測試結(jié)果

圖4 氣體傳感機(jī)理及其系統(tǒng)搭建

論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202204828

盧紅亮教授領(lǐng)銜的智能微納傳感芯片及系統(tǒng)課題組正大力開展基于各種納米復(fù)合材料的微納智能氣體傳感器及集成系統(tǒng)的研究，2022年已有多項(xiàng)微納智能氣體傳感器研究成果發(fā)表于Journal of Colloid and Interface Science,Sensors and Actuators B: Chemical,Applied Surface Science和ACSApplied Nano Materials等國際頂級期刊，另有一篇相關(guān)綜述發(fā)表于Nano-Micro Letters。

審核編輯 ：李倩