湘潭大学：通过脉冲电场调制的室温可操作、完全可回收的乙烯气体传感器

乙烯（C2H4）是一种无色气体，具有甜味，在水果成熟过程中起着至关重要的指示作用。实时监测水果运输和储存过程中C2H4的浓度对于确保水果质量至关重要。目前，乙烯实时监测的主要挑战是ppm水平浓度的检测限（通常在果实成熟过程中为1-100 ppm）和传感器的响应/恢复时间，主要是由于C2H4分子的稳定结构导致非极性分子的吸附和解吸困难。基于光谱法的C2H4检测具有最快的响应和回收时间，因为没有吸附和解吸过程，但这种方法成本高、体积大、使用不便。相比之下，化学电阻式C2H4传感器正受到关注，由于其体积小、易于操作且成本低，预计将用于实时监测。然而，C2H4的吸附是化学吸附，这使得几乎不可能自发解吸，通常需要加热（约150-450°C）或照射。即使在整合了加热或辐照系统后，报告的C2H4气体传感器的平均恢复时间仍>100秒，仍然难以实现完全恢复。气体传感器的不完全恢复将导致基线漂移和响应逐渐降低，这将影响后续测试的准确性。另一方面，加热或辐照设备的集成也给芯片集成和应用带来了困难。开发一种无需加热和辐照即可快速甚至完全恢复的C2H4气体传感器，对于集成、便携式和实时监测应用尤为重要。

近年来，由于电场的电子行为调节能力和片上集成的简单性，在气体传感器中利用电场代替加热或辐照引起了广泛关注。之前的研究利用电场在气体传感器中实现了较低的检测限、较高的响应和更好的选择性，原则上也给出了一种可能性，即通过合理的设计，可以利用电场来提高传感器的恢复速度。感测材料中电场的传输速度接近光速，允许几乎瞬时的电子行为调节，使气体传感器能够更快地恢复，特别是与热传输相比。然而，之前的工作主要集中在通过使用电场直接影响NO2和NH3等极性气体分子来提高传感器性能，但对于非极性气体原子，电场不能直接影响分子以促进解吸。因此，至关重要的是澄清为什么C2H4的解吸具有挑战性，并设计适当的电场调节策略来开发一种快速且完全可回收的C2H4气体传感器。

本文亮点

1. 本工作提出了一种用于非极性气体检测的脉冲电场调制模式，该模式能够在室温下快速完全恢复传感器。

2. 与没有电场辅助几乎不可能解吸相比，当施加+60 V脉冲栅极电压时，9 ppm C2H4的恢复时间可以缩短到78秒，这几乎相当于加热或照射下的记录值（250°C下50秒）。

3. 在栅极感应电场的帮助下，传感器在100秒内实现了完全解吸。

图文解析

图1. 传感材料的合成工艺和气敏测量平台。a） SnO2/MoO3复合材料的合成过程示意图。b） SnO2/MoO3FET传感器制造工艺示意图及其光学照片（右上插图）。c） 气敏测量平台示意图。

图2. SnO2/MoO3复合材料和碳纳米管通道的表征。a） SnO2/MoO3复合材料的XRD图谱。b） SnO2/MoO3的FE-SEM图像。c） SnO2/MoO3的HRTEM图像。d） SnO2/MoO3和MoO3的XPS光谱调查。Mo 3d和f）O 1s的高分辨率XPS光谱。g） 碳纳米管薄膜的拉曼光谱。h）CNT薄膜和i）蚀刻后CNT的FE-SEM图像，左下角是碳基FET的FE-SSEM图像。

图3. SnO2/MoO3FET传感器的表征及其传感机理。a） 10个碳基FET的传输特性曲线。b） 横截面的FE-SEM图像和SnO2/MoO3FET传感器的结构示意图。c） SnO2/MoO3FET传感器的传输特性曲线。d） SnO2/MoO3FET传感器在室温下对3 ppm C2H4的动态响应和恢复，无需脉冲Vgs辅助。e） SnO2/MoO3复合材料的C2H4传感机理示意图。f） O2从SnO2/MoO3捕获电子的低概率示意图。g） 电场下SnO2/MoO3的高表面电子密度的电势分布和示意图，增加了O2捕获电子的概率。h） SnO2/MoO3FET传感器对3 ppm C2H4的动态响应和恢复，其中在解吸过程中Vgs等于+30 V。i） 对9 ppm C2H4的响应和回收过程。

图4. SnO2/MoO3FET传感器的一致性、选择性、长期稳定性等关键特性。a） SnO2、MoO3、SnO2/MoO3FET传感器对1-15 ppm C2H4浓度的实时气体响应。b） 从不同制造批次中随机选择的十五个传感器的响应值。c） 重复SnO2/MoO3FET传感器对3 ppm C2H4的响应恢复曲线。d） 湿度对传感器响应的影响。SnO2/MoO3FET传感器的响应e）在室温下对3 ppm的不同气体的响应和f）在25天内对3 ppm C2H4的响应。

图5. 香蕉成熟过程中C2H4浓度的实时监测。a） 传感器校准系统的光学图。b） 微控制器测试的Ids与C2H4浓度之间的关系。c） 输出C2H4浓度与指定C2H4气体浓度之间的关系。d） 实时C2H4浓度监测系统的光学照片，左上角的插图显示了传感器芯片。e、 f）界面显示不同的存储

来源：柔性传感及器件