电化传感器科学研究高灵敏度的氢气传感器——摩擦电子晶体管传感器

发布时间：2024-10-12 18:10:57

科学研究高灵敏度的氢气传感器——摩擦电子晶体管传感器

氢能作为新能源，具有广阔的应用前景，并已被世界上许多国家纳入能源储备战略计划。然而，氢气爆炸极限很低，因此必须采用高灵敏度的氢气检测器来监测氢气泄漏。近几十年来，灵敏、便携、高性价比的氢传感器备受关注，已广泛应用于燃料电池、环境保护和工业生产等领域。这些氢传感器的出现为推动氢能技术发展提供了强有力的支持。

目前科研人员已开发出电化学、半导体、催化、光学等多种氢气传感器。其中，基于半导体晶体管的氢传感器，其通道电导会随气体浓度的不同而发生吸附或解吸现象，从而实现了对氢气检测的快速响应和良好的稳定性。这种传感器具有广泛的应用前景，可用于燃料电池、氢气车辆、化工生产等领域，成为氢能技术发展的重要组成部分。

摩擦电子晶体管传感器

近期，国家纳米中心的庞耀坤、陈立波、胡国锋等学者在NANO RESEARCH 期刊上发表了题为“Tribotronic transistor sensor for enhanced hydrogen detection”的研究论文。研究团队将ZnO场效应晶体管(FET)与摩擦电纳米发电机在独立模式下耦合，研制了一种新型ZnO摩擦电子晶体管，并将其用作室温下氢气检测传感器。通过研究氢气传感器在不同滑动距离和氢气浓度下的输出特性，验证了该传感器的摩擦电子调制性能。

新型晶体管的结构

科研人员采用磁控溅射法制备了ZnO薄膜，并在简并掺杂的硅衬底上覆盖了300 nm厚的氧化硅层。利用紫外光刻和电子束蒸发技术，在ZnO表面两侧制备了一对厚度为200 nm的Ag电极作为源极和漏极。为了提高检测灵敏度，还采用电子束蒸发法在ZnO薄膜上沉积催化钯纳米粒子。

硅衬底的底部附着在丙烯酸基板的顶部，并在丙烯酸基板的底部制作了两个Al电极。在两个铝底电极之间，距离小于1 mm，两个铝底电极与银源电极和作为底栅电极的硅基板电连接。此外，为实现滑动控制，选取了厚度为50 μm的聚四氟乙烯薄膜作为独立滑动层，在外力作用下可以在两个铝底电极之间水平滑动。

*ZnO摩擦电子晶体管的示意图

新型晶体管的工作原理

传统的场效应晶体管通过电场效应控制电流。它的工作原理是基于外加电场对半导体材料中载流子浓度和移动率的调控，通过改变电极间电场的大小和方向，控制导电沟道的通断，从而实现对电流的控制。

当在场效应晶体管的栅极上施加一个电压时，电场会影响到沟道区导电性，沟道区的导电性会随着场源势变化而发生实时调制，进而改变漏极电流。而场效应晶体管的漏电流与输入电压、电荷量等相关，因此可以通过调控栅极电压来控制输出电流。

*场效应晶体管示意图

与传统的场效应晶体管不同，摩擦电子晶体管的漏极电流可以由摩擦纳米发电机的滑动诱导静电势有效地调制。科研人员在ZnO纳米线上表面加载了Pd纳米颗粒，大大提高了氢分子的解离效率，形成更活泼的氢原子。因此，该ZnO摩擦电子晶体管可以用作室温下检测氢的传感器，并具有更好的灵敏度和响应速度。

*用光学显微镜观察ZnO摩擦电子晶体管的俯视图和ZnO薄膜的部分扫描电镜图

摩擦电子晶体管传感器的测试

将器件固定在气体室内，自由滑动层被固定在线性电动机上，以精确控制滑动层的滑动距离。两个管道用作进出口管道，分别测试新型晶体管在氢气环境和空气环境下的特性。

*实验装置示意图

实验的气体氛围由空气逐渐切换至含氢和Ar的混合氛围，以控制氢气浓度，然后切换回空气。电流响应的测试结果如下图所示：

*Vds=1V时，气体传感器在不同氢气浓度和不同滑动距离时的电流响应

由测试结果可以看出，当传感器处于氢气氛围中时，漏极电流显着改变。此外，随着氢气浓度的增加，ZnO摩擦电子晶体管传感器的漏极电流增加。为了排除Ar的影响，还进行了对照试验，下侧所示的放大图阐明了在从空气到Ar的气氛下传感器的电流响应，漏极电流增加了约0.065 nA，与在氢气氛围下获得的电流相比，该值非常小，可以忽略不计。

测试结果表明，ZnO摩擦电子晶体管可以作为实用且灵敏的氢气传感器使用。

将摩擦电子学运用到传感器领域可以提高传感器的分辨率和灵敏度，这项研究极大地扩展了摩擦电子学在气体传感方面的功能，并提供了一种通过人机交互提高氢气传感灵敏度的新方法。