近日，復旦大學微電子學院教授盧紅亮（通訊作者）領導的團隊首次結(jié)合硬模板法、原子層沉積技術(shù)和水熱工藝，在低功耗MEMS器件上原位合成了單層有序SnO2納米碗支化ZnO納米線的多級異質(zhì)復合納米材料，并以此作為氣體傳感器，對濃度低至1ppm的硫化氫實現(xiàn)了超靈敏和高選擇性的探測。相關(guān)成果以《Hierarchical highly ordered SnO2 nanobowls branched ZnO nanowires for ultrasensitive and selective hydrogen sulfide gas sensing》為題發(fā)表在國際頂級期刊Microsystems & Nanoengineering上（https://doi.org/10.1038/s41378-020-0142-6），此期刊由中國科學院電子學研究所與原Nature出版集團合作出版，是原Nature出版集團合作出版的第一本工程類期刊，在微系統(tǒng)與納米工程領域已產(chǎn)生了廣泛的影響。

近年來，基于金屬氧化物半導體納米材料的新型氣體傳感器受到了極大關(guān)注，已經(jīng)廣泛應用于氣體泄漏警報、環(huán)境氣體監(jiān)測和工業(yè)氣體分析等各個領域。工業(yè)生產(chǎn)中的常見產(chǎn)物H2S是危險的有害氣體之一，其對人體具有極大危害。微量的H2S就足以破壞人體呼吸系統(tǒng)，造成無意識的神經(jīng)后遺癥和心血管相關(guān)疾病。鑒于此，制備能夠有效監(jiān)測周圍生活環(huán)境中H2S含量的超靈敏氣體傳感器具有重要意義，引起了廣泛的研究興趣。

目前常見的傳感器制備技術(shù)是將納米傳感材料印刷或滴涂到陶瓷管或MEMS器件上，極大地限制了傳感器的可靠性和可重復性。因此，一種能夠?qū)⒓{米傳感材料和MEMS微加熱基底無縫集成的制備技術(shù)對于開發(fā)高穩(wěn)定性和低功耗的高性能氣體傳感器至關(guān)重要。近年研發(fā)的一種原位合成單層大孔材料的硬膜板法能夠較好地滿足上述要求。原位制備工藝不僅適合晶圓級的制備，而且能夠有效降低接觸電阻，進一步提升器件性能。此外，單一敏感材料的氣體傳感器往往存在選擇性差、響應/恢復時間長等問題。多級結(jié)構(gòu)的構(gòu)建有利于增加材料的比表面積，同時能夠在母體和次級納米結(jié)構(gòu)間的界面形成更多的同質(zhì)/異質(zhì)結(jié)，已被廣泛認為是有效提升氣敏性能的方法之一。而考慮到不同材料間不同性能的協(xié)同效應，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米多級復合材料其氣敏性能優(yōu)于同質(zhì)多級納米結(jié)構(gòu)。

本項研究設計的MEMS式單層有序SnO2納米碗支化ZnO納米線器件在250℃的工作溫度下，對1ppm硫化氫的響應（Ra/Rg）高達6.24，其響應變化率（5.24）約為單層有序SnO2納米碗器件的2.6倍，同時具有較快的響應/恢復速度。此外，對該MEMS式單層有序SnO2納米碗支化ZnO納米線器件的氣敏性能重復測量了一個月，證實其具有較好的長期穩(wěn)定性和可重復性。多級異質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅有效增加了材料的比表面積，提升了材料的氣體吸附能力，同時異質(zhì)結(jié)提高了材料的氣敏響應能力。此外，我們的傳感材料原位制備于MEMS器件上，具有低功耗和可集成化的優(yōu)勢，為氣體監(jiān)測領域開發(fā)高靈敏度、高穩(wěn)定性的氣體傳感器提供了堅實的技術(shù)支持。

盧紅亮教授領銜的智能微納傳感芯片及系統(tǒng)課題組正大力開展基于各種納米復合材料的微納智能傳感器及集成系統(tǒng)的研究，包括氣體傳感器、光電傳感器及微系統(tǒng)芯片等方面的應用探索。最近，多項微納智能傳感器研究成果已發(fā)表于Nano Energy、ACS Applied Materials & Interfaces、Microsystems & Nanoengineering和Sensors and Actuators B: Chemical等頂級期刊。

圖1 在MEMS器件上原位合成單層有序SnO2納米碗支化ZnO納米線的多級異質(zhì)復合納米材料的合成路線圖

圖2 單層有序SnO2納米碗支化ZnO納米線的多級異質(zhì)復合納米材料的SEM圖

圖3 單層有序SnO2納米碗支化ZnO納米線的多級異質(zhì)復合納米材料的TEM圖

圖4 MEMS基H2S傳感器氣敏性能測試

圖5 MEMS基H2S傳感器氣敏作用機理