基于纳米颗粒电子捕获效应的纳米晶体管气体传感器，灵敏度创历史新高
2024-06-23 07:15:07 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究提出的纳米晶体管气体传感器在室温下对1 ~ 1000 ppm氢气的响应创历史新高，检测限低至ppb范围，功耗超低（约300 nW）。
高灵敏度、低功耗、芯片级的氢气传感器在学术界和工业界都备受关注。利用钯（Pd）纳米颗粒（PdNPs）功能化的场效应晶体管（FET）最近成为此类氢气传感器的理想选择。然而，由于PdNPs与FET通道之间的弱电容耦合，这种氢气传感器的灵敏度受到了限制。
据麦姆斯咨询报道，近期，乌普萨拉大学（Uppsala University）的研究人员提出一种基于纳米颗粒电子捕获效应的纳米晶体管气体传感器，通过创新的设计策略，该传感器解决了PdNPs与FET通道之间间接电容耦合的问题，实现了高效的信号传输。这项研究提出的纳米晶体管气体传感器在室温下对1 ~ 1000 ppm氢气的响应创历史新高，检测限低至ppb范围，功耗超低（约300 nW）。这种基于纳米颗粒电子捕获效应的传感机制还有望用于其它气体的超灵敏检测。相关研究成果以“Nanotransistor-based gas sensing with record-high sensitivity enabled by electron trapping effect in nanoparticles”为题发表在Nature Communications期刊上。
这项研究工作展示了基于纳米颗粒电子捕获效应的超灵敏场效应晶体管气体传感技术。研究人员利用CMOS兼容工艺制备了硅纳米线场效应晶体管（SiNW FET）。SiNW通道由一层二氧化硅（SiO₂）薄膜钝化，并通过两个侧门经由纳米气隙（NAG）门控。NAG允许PdNPs沉积在SiNW侧壁上，使导电通道尽可能接近PdNPs。目标气体可以通过纳米气隙进入PdNPs，而不受物理阻挡。当SiO₂层足够薄时，主通道中的电子可以在主通道和PdNPs之间隧穿，并使其达到平衡。与PdNPs发生的气体反应会扰乱这种平衡，通过电子捕获/脱捕过程在通道和PdNPs之间进行电子转移，从而产生电流信号。PdNPs中的电子捕获效应提供了气体反应与主导电通道之间的直接通信，从而实现了最有效的信号传输。
图1 SiNW-NAG FET气体传感器结构和基于传统电容耦合机制的氢气传感测试
图2 PdNPs中的电子捕获效应
基于这种机制，SiNW-NAG FET气体传感器对1 ~ 1000 ppm氢气的响应达到了历史新高，在室温下，该传感器对1000 ppm氢气的通道电阻变化率为4.86 × 10⁶%。灵敏度为3600%/ppm，检测下限（LOD）为4.4 ppb。由于SiNW通道尺寸较小，传感器功耗仅需约300 nW。此外，研究人员还验证了SiNW-NAG FET器件对一氧化碳（中性）、二氧化氮（亲电性）和氨气（亲核性）三种不同类型气体的选择性，证明了基于纳米颗粒电子捕获效应的传感机制还有望用于其它气体检测。
图3 SiNW-NAG FET气体传感器的氢气响应
图4 SiNW-NAG FET气体传感器对氢气的传感动力学和选择性
这项研究所提出的SiNW-NAG FET气体传感器性能优异，在多种应用中展现出广阔前景。例如，凭借其能耗低、灵敏度高、成本低和易于集成的特性，该气体传感器可用于建筑物和工业过程中的氢气安全监测。除了这些特性之外，该传感器对一氧化碳的选择性使其成为检测氢动力车辆中氢气泄漏的理想选择，因其能够区分其它内燃机可能释放的一氧化碳，从而避免干扰。展望未来，为了实现SiNW-NAG FET气体传感器的实际应用，需要进一步研究以确保其长期稳定性，例如在PdNPs上覆盖一层聚合物，以及确保传感器在适当的工作温度和湿度条件下运行。
论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49658-3
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