自供电纳米线阵列气体传感器，实现ppb水平的二氧化氮浓度检测
2023-01-23 20:32:15 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员开发的这种自供电气体传感器可以在没有电源的情况下，实现对1 ppm二氧化氮（NO2）的84%感测响应，并记录了低至亚ppb浓度水平的检测极限。
据麦姆斯咨询报道，澳大利亚国立大学（Australian National University）的研究人员开发出了一种由纳米线阵列制成的气体传感器，凭借小尺寸很容易集成到硅芯片中。并且，据论文主要作者Shiyu Wei介绍，这款传感器不需要电源，能够通过太阳能为自己供电。
Wei补充称：“将这样的器件集成到物联网传感器网络中，其低功耗在系统规模和成本方面提供了巨大的优势。这种传感器还可以安装在汽车里，如果检测到尾气中排放的二氧化氮（NO2）超标，能够发出警报并将信息发送至手机。”
该论文共同主要作者Zhe Li博士说：“这款传感器还只是一个开始。该技术还可以检测其他气体，如丙酮。丙酮可以作为酮症（包括糖尿病酮症）的非侵入性呼吸测试，这可以挽救无数人的生命。”
现有的气体探测器通常体积大、速度慢，并且需要训练有素的操作人员。相比之下，研究人员开发的这种自供电气体传感器可以在没有电源的情况下，实现对1 ppm NO2的84%感测响应，并记录了低至亚ppb浓度水平的检测极限。并且，该传感器对入射光强度的依赖较小，即使在小于5%的太阳光照下也可以运行。
NO2是氮氧化物类污染物之一。它不仅会导致酸雨，而且即使在浓度很小的情况下，也会对人体造成危害。NO2是常见的汽车排放污染物，室内煤气灶也会产生NO2。
该器件的关键是一个PN结——太阳能电池引擎——位于基底上的纳米线（直径约100纳米、高3~4微米的微型六边形柱）。该传感器包含了由数千个间隔约600纳米的纳米线太阳能电池组成的有序阵列。
整个器件由磷化铟（InP）制成，基底掺杂锌以形成P型区，纳米线尖端的N型区掺杂硅。每个纳米线的中间部分是未掺杂的（本征部分，I），将P和N型区分开。
照射在器件上的光会导致微电流在P和N型区之间流动。当PN结的本征中间部分接触到NO2（一种会吸走电子的强氧化剂），会导致电流下降。
利用这种电流变化，可以实现空气中NO2浓度的检测。澳大利亚国立大学电子材料工程系博士后Zhe Li经过数值模拟表明，PN结的设计和制造对于信号最大化至关重要。
NO2的特性——强吸附、强氧化——使磷化铟很容易将其与其他气体区分开来。该传感器还可以进一步优化，通过使磷化铟纳米线表面功能化以检测其他气体。
研究团队负责人Lan Fu教授表示：“最终目标是在一颗微芯片上感测多种气体。除了环境污染物，这些传感器还可以用于医疗保健，例如疾病生物标志物的呼吸测试等。这种微型气体传感器易于集成和扩展。与超构光学元件相结合，有望实现具有高性能和多功能的多路复用传感器，适用于智能传感网络。”
Lan Fu教授补充说：“我们开发的技术有望在未来几年改变我们的社会和生活，大规模部署这种智能物联网技术，进行实时数据采集和自动响应，可用于空气污染监测、工业化学品危害检测、智慧城市以及个人医疗保健等领域。”
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202207199
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