中國科學技術大學廖昭亮團隊Nat. Commun.: 基于關聯二維電子氣的廣譜氣體傳感器

傳統基于吸附或氧化還原反應機制的氣體傳感器一般只能探測特定的一種或少數幾種氣體成分，并且只能在特定的溫區工作，極大的限制了其在多種氣體混合的復雜環境中的應用及稀有氣體和惰性氣體的探測。

中國科學技術大學國家同步輻射實驗室廖昭亮團隊研制了一種新的基于鋁酸鑭/鈦酸鍶（LaAlO₃/SrTiO₃）薄膜界面關聯二維電子氣（C-2DEG）的廣譜氣體傳感原型器件。利用界面二維電子氣的電阻響應，純物理的方法探測了多種氣體。不論是極性氣體、有機氣體，還是非極性、惰性氣體甚至稀有氣體的響應，它都能很好的分辨和探測，并得到具有線性相關的氣體分壓。該新型廣譜探測器對某些氣體的測量極限可以與目前主流的商用傳感器相當。相關成果近日以“A broad-spectrum gas sensor based on correlated two-dimensional electron gas”為題發表于國際權威期刊《自然·通訊》（Nature Communications?14, 8496 (2023)）。

圖1. 用于外太空氣體探測的關聯二維電子氣（C-2DEG）廣譜氣體傳感器

C-2DEG是在兩種絕緣材料（LaAlO₃和SrTiO₃）的界面處發現的，其界面的電子狀態可以簡單地通過電場進行調控，這一技術的涌現為關聯氧化物電子學帶來了廣闊的發展前景和許多突破性的技術應用。近年來，許多基于顯微探針頂柵極的概念器件被大量提出，例如SketchFET晶體管，太赫茲成像，光子探測，波蕩器等。然而，這種高成本的方式構筑的器件難以進行推廣應用。

圖2. 廣譜C-2DEG氣體傳感器結構

本研究中研究人員將另一種絕緣材料LaFeO₃?調摻雜在該新奇的界面后，發現這一調摻使得界面載流子濃度顯著降低。在低溫下，通過施加底柵極電壓，強大的電場將稀薄的氣體電離，電子會在電場的作用下吸附在固化在薄膜表面的氣體冰層中。底柵極撤去后，C-2DEG界面將會感生出和氣體冰層中電子數量一樣多的正電荷，從而耗盡界面載流子濃度，實現非易失的金屬絕緣體轉變。當氣體升華或沸騰時，會帶走吸附的電子，這將改變C-2DEG載流子濃度，進而通過電阻響應識別氣體成分。在升溫時，研究人員觀察到氣體在升華或沸騰時將會改變電導-時間曲線的斜率，通過定義兩個斜率間的夾角：相轉變角?Θ，可以得到?Θ與分壓的線性相關，從而定量的測量該氣體的分壓。其中CO₂的測量極限預期可以與目前報道的最優異的MOS氣體傳感器比擬。

圖3. 廣譜C-2DEG氣體傳感器特性

中國科學技術大學博士生洪宇昊為本文獨立一作，中國科學技術大學廖昭亮教授和荷蘭特文特大學Guus Rijinders教授為共同通訊。該工作得到了合肥光源（NSRL）寶貴機時支持，同時也受到了科技部重點研發、國家自然科學基金的支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44331-7#citeas