Adv. Mater.：安全的保障-光電肖特基傳感實現對爆炸物蒸汽的痕量級識別

【引言】

為了維護國家安全與社會穩定，實現對與恐怖主義襲擊有關的爆炸物的檢測是非常有必要的，由此針對爆炸物的可靠性痕量檢測的發展也是刻不容緩。目前，在爆炸物痕量檢測領域，發展起來的技術有離子遷移譜法、熒光檢測以及氣體傳感。在此之間，對爆炸物的氣相檢測具有非接觸及取樣簡單的優點。隨之，納米傳感器因其高比表面積和高反應活性而成為對痕量爆炸物蒸汽最有效的檢測手段。

【成果簡介】

中國科學院新疆理化技術研究所竇新存（通訊作者）等人開發了一個基于光電肖特基結的快速、超靈敏的人工嗅覺系統，可實現對不同爆炸物蒸汽的識別性檢測，包括TNT、DNT、PNT、PA等等。這個方法主要基于光電子SiNWs/ZnO/rGO肖特基傳感器，這較傳統的肖特基傳感器，在夜間工作時，對爆炸物蒸汽更是超靈敏、快速光電響應和光強度可調。

【圖文導讀】

圖一、傳感器的表征與性能測試

(a) SiNW陣列的截面FESEM圖

(b) 負載有ZnO納米顆粒的單個SiNW的TEM圖像

(c) SiNWs/ZnO/rGO異質結的截面FESEM圖

(d) 傳感器在黑暗及空氣狀態下的I-V對數刻度表征曲線

(e) 傳感器在黑暗狀態對八種不同爆炸物蒸汽的響應情況

(f) 傳感器在黑暗狀態對八種不同爆炸物蒸汽的響應時間與恢復時間

圖二、傳感器的光敏響應以及能帶結構分析

(a) 通過周期性的打開和關上468 nm 單色LED光（光強范圍分別在1-8 Wm^-2，偏壓-1V）和(b) 在468 nm光（6 Wm^-2）下測試電子上升時間和衰敗時間，偏差壓-1V，來測定傳感器隨時間變化的光敏響應。

(c) 傳感器相應的I-V特征曲線（內嵌圖：曲線逆向的放大圖）。

(d) 不同光強度下的Φ_B and V_oc值。

(e) 光照明下，肖特基異質結的能帶圖。E_c1、E_v1和 E_g1分別為ZnO的導帶、價帶和能帶隙；E_c2、E_v2和 E_g2分別為Si的導帶、價帶和能帶隙；E_f(Gr) 是rGO的費米能級， E_f′(Gr) 是rGO的準費米能級， Φ_B 是肖特基勢壘高度，V_R 是反響偏壓，Δ′是一定光強度照明引起的SBH降低。石墨烯狄拉克圓錐紅色表面表示注入ZnO的孔洞；在照明下，反向偏壓E_f′(Gr)的施加及打開大量的可及狀態使ZnO填入光激孔洞。E_sub為ZnO的次級狀態。

圖三、傳感器對不同爆炸物蒸汽的性能及作用機制分析

(a) 室溫下，傳感器對TNT飽和蒸汽的光敏響應。

(b) TNT、DNT、PNT、PA、RDX、Urea、BP 和AN飽和蒸汽在室溫下，響應程度隨光強度的變化。

(c) 光照下，肖特基結的能帶圖，以表示傳感機制。Φ′_B(var)為不同光照強度下的肖特基勢壘。Δ″為吸收被分析物分子時引起的SBH改變。黃色星代表分析物分子，隨著光強度的提高，光誘發的孔洞和電子數量的增加。

(d) 響應值的PCA圖

圖四、傳感器對不同爆炸物蒸汽的性能測試

(a) 肖特基傳感器在50 ppm NO₂下隨時間改變的光敏響應

(b) 室溫下，八種不同飽和爆炸物蒸汽在三種干涉氣體（各50 ppm的NO₂、NH₃、乙醇）下的PCA圖。

(c) 通過周期性打開和關閉468 nm光照和改變光強度（1-8 W m^-2）來測定不同BP蒸汽含量下肖特基傳感器隨時間變化的光敏響應。

(d) 室溫下，八種飽和爆炸物蒸汽以及兩種已知濃度PA和BP蒸汽的PCA圖。

【小結】

基于光電SiNWs/ZnO/rGO肖特基異質結的傳感器具備超靈敏、實時傳感的特點，堪稱新型人工嗅覺系統！這種光電肖特基傳感器對爆炸物蒸汽靈敏、快速且多樣化光敏響應，連同對不同光強半優先的特點，共同促進具單個傳感器的傳感陣列的實現。在低于室溫飽和蒸氣壓下，該傳感器也可實現靈敏、定量和半定量測定爆炸蒸汽的濃度。如此發展，技能滿滿的肖特基傳感器將能更快推進應用，實現對爆炸物蒸汽的痕量測量。

文獻鏈接：Artificial Olfactory System for Trace Identification of Explosive Vapors Realized by Optoelectronic Schottky Sensing（Adv. Mater.，2016，DOI：10.1002/adma.201604528）

本文由材料人編輯部電子電工學術組大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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