新疆理化所構(gòu)建基于肖特基結(jié)的高性能爆炸物蒸氣傳感材料

文章來源：新疆理化技術(shù)研究所                              發(fā)布時(shí)間：2015-05-27

　　爆炸物檢測作為反恐防爆的重要措施正日益彰顯出廣闊的應(yīng)用前景。爆炸物蒸氣檢測技術(shù)具有非接觸、采樣簡單、可靠性高、性能優(yōu)異、多功能集成、可以批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，使爆炸物探測器實(shí)現(xiàn)小型化、低成本和高精度成為可能。

　　傳統(tǒng)的氣敏傳感器通常是將敏感材料與電極構(gòu)成歐姆接觸，通過測量待測分子吸附引起的電流變化實(shí)現(xiàn)傳感的目的。由于爆炸物蒸氣壓很低，在實(shí)際檢測時(shí)，爆炸物分子濃度會更低，吸附在納米線表面的爆炸物分子極少，造成傳感器在實(shí)際檢測時(shí)靈敏度很低。肖特基結(jié)是一種新近發(fā)現(xiàn)的優(yōu)異氣敏結(jié)構(gòu)，在反向偏壓下，電流與肖特基勢壘高度具有指數(shù)關(guān)系，當(dāng)待測分子吸附在肖特基結(jié)上時(shí)，會改變肖特基勢壘高度，從而極大地改變電流大小。

　　基于此，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室科研人員首次構(gòu)建了石墨烯/二氧化鈦/硅納米線三元肖特基結(jié)作為檢測硝基爆炸物蒸氣的氣敏傳感材料，在反向偏壓及室溫條件下實(shí)現(xiàn)了對TNT、DNT、PNT、PA、RDX和HMX六種爆炸物的高靈敏檢測。該傳感材料中硅納米線陣列性質(zhì)穩(wěn)定，納米線之間空隙多，有利于爆炸物分子擴(kuò)散；石墨烯具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，同時(shí)作為電極形成肖特基結(jié)；二氧化鈦插層調(diào)節(jié)了肖特基結(jié)的勢壘高度，同時(shí)能夠增大對硝基爆炸物的吸附能，從而顯著提高對硝基爆炸物蒸氣的傳感選擇性。該結(jié)構(gòu)對于室溫飽和蒸氣壓低至0.25 ppq（千萬億分之一）的HMX響應(yīng)達(dá)到了3%。同時(shí)，該材料具有很高的選擇性，對于濃度在ppb（十億分之一）級別和以下的爆炸物蒸氣的響應(yīng)大小與對濃度高達(dá)10 ppm（百萬分之一）的常見氣體（氨氣和二氧化氮）的響應(yīng)大小相當(dāng)。

　　該研究不僅構(gòu)建了基于肖特基結(jié)的高性能的爆炸物蒸氣傳感材料，同時(shí)，其中的界面調(diào)制思想為開發(fā)具有高靈敏度和高選擇性的傳感器提供了新的思路。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Functional Materials上，并被選為卷首插畫。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院“百人計(jì)劃”、新疆維吾爾自治區(qū)國際合作等項(xiàng)目的資助。

石墨烯/二氧化鈦/硅納米線三元肖特基結(jié)檢測TNT蒸氣的示意圖