慶王中林小組制備出高性能傳感器

      美國佐治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)和中科院納米能源與系統研究所王中林教授領導的研究小組*近利用壓電電子學效應對肖特基結納米線傳感器進行調節(jié)，制備出高性能傳感器——pH傳感器和蛋白質傳感器。

      納米線傳感器在納米系統和人們日常生活中有很大的應用前景。傳統的納米線化學傳感器智能調節(jié)器jx-hwj.com/主要是基于兩端歐姆的納米線，通過目標分子在納米線表面吸附引起的納米線電阻改變來進行化學檢測。這種單根納米線化學傳感器通?？赏ㄟ^的電流都很小，在pA至nA量級，需要較為精密的測量儀器進行測量。另外，分子在表面的吸附和解吸附是一個相對較慢的過程，這也導致相應的傳感器反應時間和恢復時間較長，這也嚴重地限制了傳感器的應用。

      王中林教授領導的小組深入分析比較了肖特基接觸和歐姆接觸的原理和特點，四年前就提出了肖特基接觸可以用于構造高靈敏度傳感器的不同于傳統想法的新概念，并成功地在紫外光傳感，生物傳感和化學傳感方面證明了這類新型傳感器不僅靈敏度高，其反應時間和恢復時間也有了質的飛躍。這些新型傳感器的優(yōu)異性能歸功于肖特基接觸。肖特基勢壘的高度對電流的傳輸起到關鍵作用。這兩種傳感器的原理就好比調節(jié)河流水流量的兩種方式：傳統納米線傳感器是利用改變河道寬度來控制水流量，而肖特基接觸納米線傳感器是靠改變上游水壩高度來控制通過的水流量。

      壓電效應是壓電材料在應力作用下產生形變時出現的一種內部電勢的現象，廣泛應用于微機械傳感、器件驅動和能源領域。對于氧化鋅、氮化鎵等半導體材料，由于同時具有壓電性和半導體性廈門宇電巡檢儀jx-hwj.com/，壓電效應可以改變金屬-半導體的界面勢壘和p-n結的輸運性質，這就是壓電電子學效應?；谶@一想法，潘曹峰博士，于若蒙，牛思淼和朱光等博士生在王中林教授領導下先后構建了基于表面修飾的ZnO納米線、具有肖特基接觸的pH傳感器和蛋白質傳感器，并通過外加應力使ZnO納米線內部產生壓電電場，從而調節(jié)肖特基接觸勢壘高度，使這種化學傳感器在探測相同濃度的蛋白質分子和質子濃度時，器件檢測信號極大的提升了數個量級，其結果分別發(fā)表在《美國化學會納米》(ACS Nano， 2013， DOI: 10.1021/nn306007p)和《能源與環(huán)境科學》(Energy & Environmental Science， 2013， 6，494)。這類新型納米線傳感器通過對納米線施加一定應力，使其內部產生壓電電勢，在納米線兩端產生不可屏蔽的壓電電荷，進而調整納米線兩端肖特基接觸勢壘高度，改變傳感器的輸運性質，提升傳感器的檢測信號。文章中報道了同一個器件，通過施加0.92%的壓縮應變后，其檢測電流可從不加應力時的1.2nA提高到1.8μA，超過1000倍，使得傳感器信號檢測更為容易，從而擺脫對高精度檢測儀器的依賴。更為重要的是，納米線內部的極化電場和極化電荷有可能將溶液中遠處的帶相反電荷的待探測物質(如質子、帶電離子團等)通過靜電引力吸附到納米線附近溶液中，使得行測物質在納米線傳感器附近“濃縮”，這樣待測物質或目標分子在納米線上的吸附機率將大為增加，這樣便可提升同種化學物質的化學檢測極限。這種基于肖特基結納米結構以及壓電電子學效應的化學傳感器的設計思路和方法，在自驅動、環(huán)境監(jiān)測，甚至國防高精度溫度計jx-hwj.com/科技方面都將有很大的應用前景。