导读
近日，东南大学机械工程学院“微纳声学器件与光声检测实验室”张辉教授团队在超低浓度氢气检测领域取得重要进展。研究人员设计并制备了一种与CMOS 兼容且在室温下工作的光学氢气传感器，通过检测氢气对光电流的抑制，该传感器在空气环境中对2%浓度的H2响应时间为 4 秒，检测极限可达 10 ppm。此外，在30%-70%的相对湿度变化下仍可快速响应并恢复性能。该传感器无需热源或电源，降低了氢气爆炸的风险。以上特性使其能够快速、大规模地用于现场监测，以降低氢气泄漏的风险。相关成果以 “A CMOS-compatible and cost-effective room temperature sensitive hydrogen sensor.” 为题，发表于传感器权威期刊 (Sensors and Actuators B: Chemical, 418 (2024): 136322. DOI: 10.1016/j.snb.2024.136322)。
研究背景
室温低成本的氢气传感
氢气作为未来绿色能源，受到了广泛的关注和研究。同时，氢气也是一种重要的还原剂，可应用于化学、核能、生物和医疗等领域。然而，无色无味的氢气具有易燃范围广、火焰传播速度快等特点，极易引发火灾和爆炸等严重安全事故，如何实现快速准确的氢气检测成为一项至关重要的工作。
目前，基于催化、热导、电阻和功函数的氢传感器需要在加热和电压偏置状态下工作，这增加了爆炸和器件损耗的风险。干涉、光栅和瞬逝场光纤氢传感器可以在室温下工作，但需要复杂的光路结构和昂贵的辅助设备来测试折射率或透射率。
研究亮点
基于肖特基结的光学氢气传感器
本工作开发了一种结构简单、响应快速的光学氢传感器。它是一个由铂-二氧化硅-硅组成的肖特基结，通过电偶极子抑制光生电流实现快速氢检测。与传统的 MIS 肖特基电氢传感器相比，传感器无需外部加热和偏置电压。这些特性降低了氢气环境中的爆炸风险。与等离子共振装置不同，传感器不需要蚀刻结构或纳米孔，对光波长也没有要求。该传感器成本低廉，制备简单，无需加热或化学处理，可使用物理或化学气相沉积系统快速批量生产。器件设计示意图如图1所示，氢分子吸附在铂薄膜表面并离解成氢原子，然后氢原子在浓度梯度驱动下扩散到金属氧化物界面。氢引起的界面电势变化可通过测量光电流来检测氢的浓度。
图1 (a)光学氢气传感器设计示意图，(b)器件实物图，（c）氢气解离扩散示意图，（d）氢偶极子对光电流的抑制
近室温范围内下超快氢气响应
研究人员对传感器的氢响应性能进行了测试。如图2所示，对不同氢气浓度下的I-V曲线进行了表征。可以发现光电流随着浓度的增加而减小，这是由于电偶极子的积累阻碍了光生载流子的运动。在2% H2浓度下，设备的响应时间为4秒。在浓度为10ppm的氢气环境中，可以检测到器件的极端电流响应。为了测试器件的稳定性和可重复性，对器件进行了不同浓度和光强环境切换检测，如图2（c）和（d）所示。不同光强测试的气体切换间隔为50秒，不同浓度测试的气体转换间隔为100秒，在50秒时引入氢气。可以观察到，在多次循环后，器件的偏移电流和响应水平几乎保持不变，表现出优异的稳定和可重复性能。
图2 (a) 传感器I-V特性曲线，(b) 传感器瞬态电流响应，（c）不同浓度下动态电流响应，(d) 不同光照强度下动态电流响应。
研究人员还在近室温的范围内对传感器性能进行了测试，如图3所示。该器件在室温附近保持了优异的性能。
图3，肖特基光学传感器在室温（280 K-340 K）附近的性能。 (a) 器件在不同温度下的 I-V 特性。(b) 不同温度下气体开关周期的电流动态响应曲线。
宽湿度范围快速恢复
湿度是影响氢传感性能的重要因素。在相对湿度值为30%、50%和70%时引入浓度为2% H2+空气的混合气体。可以观察到，短路电流随着湿度的增加而增加，这意味着在潮湿环境中，氢分子的吸附和诱导的氢响应将降低，图4（b）的结果证明了这一点。图4（c）展示了不同相对湿度下的动态氢响应，展示了该器件在不同相对湿度条件下的稳定性和可重复性。为了研究器件在反复变化的湿度条件下的鲁棒性，以30%-50%-70%-30%的顺序改变了湿度值，如图4（d）所示。该传感器工作良好，在宽湿度范围内保持快速响应。此外，在70%相对湿度的条件下运行300秒后，该设备仍能快速恢复，在30%相对湿度的条件下同样具有的快速响应速度和灵敏度。
图4 相对湿度对传感器的影响。(a) 不同相对湿度条件下传感器的 I-V 特性。(b) 不同湿度条件下偏移电流和响应时间的变化。 (c) 不同相对湿度条件下的动态氢开关周期响应。 (d) 相对湿度变化时的动态氢响应曲线。
总结与展望
该工作设计和制作了一种基于肖特基结的光学室温快速的氢气传感器，该器件结构紧凑且性能优异。解决了大多数氢气传感器需要加热或电压偏置的限制，实现了一种可以快速、批量布置的氢气检测方案。这项工作显示了氢气安全检测和与小型智能设备集成的巨大潜力。东南大学博士研究生毛飞龙为第一作者，东南大学为第一通讯单位，东南大学张辉教授为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划（2022YFB3404300）和国家自然科学基金（52272433）的支持。