慶王中林小組制備出高性能傳感器

      美國佐治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)和中科院納米能源與系統(tǒng)研究所王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組*近利用壓電電子學(xué)效應(yīng)對肖特基結(jié)納米線傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)，制備出高性能傳感器——pH傳感器和蛋白質(zhì)傳感器。

      納米線傳感器在納米系統(tǒng)和人們?nèi)粘Ｉ钪杏泻艽蟮膽?yīng)用前景。傳統(tǒng)的納米線化學(xué)傳感器智能調(diào)節(jié)器m.oqjbfed.cn/主要是基于兩端歐姆的納米線，通過目標(biāo)分子在納米線表面吸附引起的納米線電阻改變來進(jìn)行化學(xué)檢測。這種單根納米線化學(xué)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(jìn)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(dǎo)致相應(yīng)的傳感器反應(yīng)時間和恢復(fù)時間較長，這也嚴(yán)重地限制了傳感器的應(yīng)用。

      王中林教授領(lǐng)導(dǎo)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(gòu)造高靈敏度傳感器的不同于傳統(tǒng)想法的新概念，并成功地在紫外光傳感，生物傳感和化學(xué)傳感方面證明了這類新型傳感器不僅靈敏度高，其反應(yīng)時間和恢復(fù)時間也有了質(zhì)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(guān)鍵作用。這兩種傳感器的原理就好比調(diào)節(jié)河流水流量的兩種方式：傳統(tǒng)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(yīng)是壓電材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生形變時出現(xiàn)的一種內(nèi)部電勢的現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用于微機械傳感、器件驅(qū)動和能源領(lǐng)域。對于氧化鋅、氮化鎵等半導(dǎo)體材料，由于同時具有壓電性和半導(dǎo)體性廈門宇電巡檢儀m.oqjbfed.cn/，壓電效應(yīng)可以改變金屬-半導(dǎo)體的界面勢壘和p-n結(jié)的輸運性質(zhì)，這就是壓電電子學(xué)效應(yīng)?；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(lǐng)導(dǎo)下先后構(gòu)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(zhì)傳感器，并通過外加應(yīng)力使ZnO納米線內(nèi)部產(chǎn)生壓電電場，從而調(diào)節(jié)肖特基接觸勢壘高度，使這種化學(xué)傳感器在探測相同濃度的蛋白質(zhì)分子和質(zhì)子濃度時，器件檢測信號極大的提升了數(shù)個量級，其結(jié)果分別發(fā)表在《美國化學(xué)會納米》(ACS Nano， 2013， DOI: 10.1021/nn306007p)和《能源與環(huán)境科學(xué)》(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(yīng)力，使其內(nèi)部產(chǎn)生壓電電勢，在納米線兩端產(chǎn)生不可屏蔽的壓電電荷，進(jìn)而調(diào)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(zhì)，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(yīng)變后，其檢測電流可從不加應(yīng)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(nèi)部的極化電場和極化電荷有可能將溶液中遠(yuǎn)處的帶相反電荷的待探測物質(zhì)(如質(zhì)子、帶電離子團(tuán)等)通過靜電引力吸附到納米線附近溶液中，使得行測物質(zhì)在納米線傳感器附近“濃縮”，這樣待測物質(zhì)或目標(biāo)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(xué)物質(zhì)的化學(xué)檢測極限。這種基于肖特基結(jié)納米結(jié)構(gòu)以及壓電電子學(xué)效應(yīng)的化學(xué)傳感器的設(shè)計思路和方法，在自驅(qū)動、環(huán)境監(jiān)測，甚至國防高精度溫度計m.oqjbfed.cn/科技方面都將有很大的應(yīng)用前景。