高性能氣敏器件的宏量制作及其生化戰(zhàn)劑檢測應(yīng)用研究獲進展

　　近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所微納技術(shù)與器件研究室的微納氣體傳感器研究團隊在高性能氣敏器件的宏量制作及其生化戰(zhàn)劑檢測應(yīng)用研究方面取得了新進展，相關(guān)研究成果已發(fā)表在國際期刊《化學(xué)通訊》和《科學(xué)報告》上 。

　　半導(dǎo)體氧化物電阻型薄膜氣體傳感器，由于其成本低廉、制作簡單及使用方便等優(yōu)點，在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。而發(fā)展用于高端領(lǐng)域的質(zhì)優(yōu)價廉的高性能氣敏器件，一直是人們所追求的目標(biāo)與面臨的挑戰(zhàn)。近年來，固體所研究人員與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的相關(guān)課題組合作，針對這些問題，提出了一種微納融合的策略，將基于有機模板的微/納結(jié)構(gòu)有序多孔薄膜與基于微電子機械加工（MEMS）技術(shù)的微型基板相結(jié)合，成功地研制出高性能電阻型薄膜氣敏器件，獲得了秒級快響應(yīng)、痕量檢測限與10毫瓦級低功耗等優(yōu)越的器件性能，相關(guān)成果發(fā)表在《科學(xué)報告》（Sci. Rep. 2013, 3, 1669）上。

　　微/納米結(jié)構(gòu)器件的實用化，仍然是當(dāng)前納米科技研究的一大難點，主要原因是制作成本較高。為此，雙方圍繞著制作低成本高性能器件這一目標(biāo)進行技術(shù)攻關(guān)，結(jié)合兩個研究組在晶圓級MEMS加工工藝和大面積有機模板制作技術(shù)的特長，提出了一種新型的晶圓級高性能氣敏器件的制作策略，即采用布滿MEMS基傳感芯片的硅晶圓片作為襯底，基于模板轉(zhuǎn)移-溶液浸漬法，將晶圓大小的高質(zhì)量有機模板轉(zhuǎn)移其上，以期一次獲得大量MEMS基氣敏器件?？蒲腥藛T進一步在實驗上實現(xiàn)了這一策略（圖1），經(jīng)一次模板轉(zhuǎn)移操作，即可獲得數(shù)千計的MEMS基高性能氣敏器件，且器件間差異得到了有效控制，制作重復(fù)性好，極大地降低了單個氣敏器件的成本，因此極具實用推廣價值。相關(guān)結(jié)果近期發(fā)表在自然出版社的《科學(xué)報告》上（Sci. Rep. 2015, 5, 10507）。固體所相關(guān)科研人員為論文的共同第一作者以及共同通訊作者。

　　眾所周知，沙林毒氣是一種劇毒神經(jīng)毒劑，可以通過呼吸道或皮膚黏膜侵入人體，殺傷力極強，其易揮發(fā)，靠自然蒸發(fā)就可以達到戰(zhàn)斗濃度，一旦散發(fā)出來，可以使數(shù)公里范圍內(nèi)的人中毒，甚至死亡。當(dāng)前，如何快速簡便檢測沙林等神經(jīng)毒氣是人們亟待解決的問題?；谏鲜鯩EMS基高性能氣敏器件，科研人員與解放軍防化學(xué)院相關(guān)研究組合作，探索了該器件在痕量高毒性生化戰(zhàn)劑（如沙林）檢測方面的應(yīng)用。科研人員通過對敏感材料表面進行改性，使得沙林氣體在檢測過程中發(fā)生了還原-氧化性轉(zhuǎn)變，如圖2所示。在400攝氏度，沙林表現(xiàn)了本征的還原性氣體特性，而在300攝氏度，其卻展現(xiàn)了反常的氧化性氣體特性。通過比較其他氣體（乙醇、丙酮及沙林模擬機DMMP）響應(yīng)，只有沙林展現(xiàn)出了這種雙性氣體（Janus gas）特性，成功的實現(xiàn)了對沙林的選擇性檢測，有效區(qū)分了沙林和其模擬劑DMMP。該MEMS基器件可檢測到低達6 ppb的沙林毒氣，是目前采用金屬氧化物半導(dǎo)體型氣敏傳感器文獻報道可檢測到的最低濃度。這項工作，為將電阻型薄膜氣體傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域拓展至某些特殊領(lǐng)域提供了近期可實現(xiàn)性。這些特殊領(lǐng)域包括，要求快速響應(yīng)、高靈敏、低功耗等的領(lǐng)域，如公共安全領(lǐng)域的高毒性氣體的痕量監(jiān)測及智能傳感網(wǎng)等。相關(guān)結(jié)果近期發(fā)表在英國皇家化學(xué)會的《化學(xué)通訊》上（Chem. Commun. 2015, 51, 8193-8196）。

　　相關(guān)工作得到了國家科技部“973”計劃、國家自然科學(xué)基金、安徽省杰出青年基金等科研項目的資助。