新疆理化所構建基于肖特基結的高性能爆炸物蒸氣傳感材料

文章來源：新疆理化技術研究所                              發布時間：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用前景。爆炸物蒸氣檢測技術具有非接觸、采樣簡單、可靠性高、性能優異、多功能集成、可以批量生產等優點，使爆炸物探測器實現小型化、低成本和高精度成為可能。

　　傳統的氣敏傳感器通常是將敏感材料與電極構成歐姆接觸，通過測量待測分子吸附引起的電流變化實現傳感的目的。由于爆炸物蒸氣壓很低，在實際檢測時，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，造成傳感器在實際檢測時靈敏度很低。肖特基結是一種新近發現的優異氣敏結構，在反向偏壓下，電流與肖特基勢壘高度具有指數關系，當待測分子吸附在肖特基結上時，會改變肖特基勢壘高度，從而極大地改變電流大小。

　　基于此，中國科學院新疆理化技術研究所環境科學與技術研究室科研人員首次構建了石墨烯/二氧化鈦/硅納米線三元肖特基結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現了對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穩定，納米線之間空隙多，有利于爆炸物分子擴散；石墨烯具有優良的物理和化學性能，同時作為電極形成肖特基結；二氧化鈦插層調節了肖特基結的勢壘高度，同時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。該結構對于室溫飽和蒸氣壓低至0.25 ppq（千萬億分之一）的HMX響應達到了3%。同時，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大小與對濃度高達10 ppm（百萬分之一）的常見氣體（氨氣和二氧化氮）的響應大小相當。

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

　　相關研究成果發表在Advanced Functional Materials上，并被選為卷首插畫。該工作得到了國家自然科學基金、中科院“百人計劃”、新疆維吾爾自治區國際合作等項目的資助。

石墨烯/二氧化鈦/硅納米線三元肖特基結檢測TNT蒸氣的示意圖