2019年9月22日
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韩民教授/王广厚院士团队在原子团簇制备量子传感器方面取得多项重要进展

在线快3计划—大发5分3D官方网站固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的韩民教授和王广厚院士团队在发展高分辨率、高灵敏度的压力传感技术方面取得了重要进展,相关成果以“An ultrahigh resolution pressure sensor based on percolative metal nanoparticle arrays”为题,发表在2019年9月6日的《自然·通讯》杂志上(Nature Communication 2019, 19, 4024)。该论文的通讯单位为在线快3计划—大发5分3D官方网站,第一作者为博士研究生陈敏瑞,通讯作者为在线快3计划—大发5分3D官方网站韩民教授,得到了王广厚院士的指导和支持。

精密的气体压力传感器是微机-电系统中最基本的传感器件之一,在航空航天、自动驾驶、环境检测以及商用电子产品等领域有着巨大的应用需求。目前,主流的商用压力传感器是硅基传感器,其原理是利用掺杂硅的压阻或压容特性来感知外界气压的变化。然而,由于硅基材料弹性模量非常高,所制造的压力传感器在大气压附近的分辨率往往只有~100 Pa。这样的分辨率很难满足精确气象测量与三维精准定位等应用的需求。因此,该课题组一方面利用弹性模量更低的高分子有机薄膜代替硅片,另一方面通过原子团簇束流沉积在柔性薄膜表面上可控制备具有量子渗流效应和库仑阻塞效应的团簇点阵,将压力引起的柔性薄膜的表面应变转化成团簇点阵的量子隧穿电导变化。

与传统的硅基材料相比,该传感器有如下特点:(1)在同等压力作用下,选用弹性模量更低的柔性高分子薄膜作为压力感知器件,其表面产生的应变量将远高于硅片产生的应变量;(2)在附着于薄膜表面的密集的纳米团簇点阵中,电子输运主要是以单电子隧穿跳跃方式,使得团簇点阵的隧穿电导G与团簇平均面间距d之间呈指数式的变化关系, ,其中β为电子耦合项,与尺寸和温度相关。因此,即便是微小的压力诱导出柔性衬底表面的微小形变,造成团簇的间距的极微小变化,就能足以使团簇间单电子隧穿结的导电状态发生快速切换,加上团簇密集点阵中间渗流路径数目大,使其对点阵导电能力升高或降低的影响高度敏感。(3)不仅如此,团簇点阵中存在的库仑阻塞效应又能进一步降低热涨落所造成的电流热噪声幅度,从而进一步减小了可测量的团簇点阵的最小电导变化量。这些因素大幅度提高了压力传感器的分辨率与灵敏度。

图1 (a)基于原子团簇束流沉积制备的团簇点阵压力传感器结构示意图;(b)压力传感器工作原理:压力的作用改变了团簇渗流通道(红色连线)的数目;(c)团簇点阵电导随压力变化曲线;(d)响应0.5 Pa压力变化时团簇点阵的电导变化。

课题组采用掩模镀膜法,在0.05 mm厚的PET材料上印刷微型叉指电极。利用原子团簇束流沉积系统,在叉指电极之间可控制备金属团簇密集点阵。最后,将PET膜片密封于一个参考空腔上,从而完成压力传感器的制备。当压力传感器被置于不同的环境气压下,外界气压与参考空腔内部压力在PET膜片上形成一个新的力学平衡,PET膜片产生的应变将改变团簇点阵隧穿电导并被电学测量回路测得。该压力传感器的灵敏度达到0.13 kPa-1,在大气压环境中可以分辨小至0.5 Pa的气压变化(图1)(比目前通用硅基传感器分辨率提高了3个数量级以上,也远超其它材料所构成的压力传感器)。

作为实际验证,课题组进一步将压力传感器应用于不同海拔高度的气压变化的测量,在一栋14层的楼房电梯中,实时记录传感器随不同楼层变化的响应。实验表明,传感器能够分辨1 m的海拔高度差引起的气压变化。作为气压高度计,该传感器能够达到0.00027 m-1的灵敏度(图2)。这种超高分辨的气压高度计在航空航天、三维全球定位系统中有着重要的应用前景。

图2 (a)电梯载着传感器在不同楼层时传感器的电导变化;(b)对(a)中数据汇总,每层楼的海拔被转换成相对于14楼的高度差(按每层楼高3.5米计算)。

这项研究仅是该课题组在原子团簇束流沉积技术和制备团簇密集点阵及其奇异光、电性质研究最近进展的一个例子。近年来,该团队将原子团簇点阵制备与微电极制作工艺结合起来,发展了一系列基于团簇点阵光、电特性的新型器件。例如,开发了多种团簇点阵量子传感器:(1)氢气传感器,具有高灵敏度、宽响应范围(10ppm-100000ppm)、响应时间快 (<1s)、极低功耗(mW)及MEMS可兼容等特点,代表了当前氢气传感器的先进水平。该氢气传感器已进行产品开发,即将量产;(2)团簇点阵应变传感器,在灵敏度(仪表因子200-1000)和应变响应范围(0.01%-10%)两项关键指标上都大幅超越目前利用金属和半导体应变片构成的应变传感器,已经成为应变测量方法的一项颠覆性技术;(3)将团簇点阵应变传感器与悬臂梁技术相结合,开发出振动传感器和加速度传感器,除保持压电器件的频率响应特性之外,还具备优异的振幅响应特性;(4)将团簇点阵应变传感机理与柔性基底材料相结合,开发出具有皮肤仿生功能的柔性可穿戴压力传感器阵列,其优势还可以同时进行多项物理量的检测等。他们的这些研究进展不仅发表了一批学术论文,申请多项专利,而且正在进行产业化试验。(见附录)

值得指出的是,这些研究充分地体现了固体微结构物理国家重点实验室王广厚院士多年来在原子团簇科学研究领域带领团队成员坚持走独立自主创新之路,把前沿基础研究、科学仪器研制、核心技术攻关和新型器件研发有机结合起来,取得了丰硕成果,得到了国内外学术界高度评价。尤其是他们所发展的一系列的团簇束流沉积(CBD)新技术,已经成为国际上该领域的引领者之一。2016年韩民教授应邀在国际团簇会议(ISSPIC-18)上作有关内容的大会特邀报告并主持了2018年第19届ISSPIC国际会议。

研究工作得到国家自然科学基金,国家重大科研仪器项目和江苏省高校重点学科建设项目等的支持。

(在线快3计划—大发5分3D官方网站固体微结构物理国家重点实验室 科学技术处)

附录【有关团簇量子传感器的其它论文和专利:1) ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 44603−44613;2) Sensors and Actuators A 272 (2018) 161–169;3) ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 27193−27201;4) Sensors and Actuators B 230 (2016) 690–696;5) International Journal of Hydrogen Energy 41(2016)1341-1347;6) Physics Letters A378(2014)2708–2712;7) Nanoscale Research Letters (2015) 10:311;8) Nanoscale, 2014, 6, 3930–3933;9) Sensors and Actuators A 181 (2012) 20– 24;10) J Nanopart Res (2013) 15:1746;11) Sensors and Actuators B 181 (2013) 125– 129;12) J. Phys. Chem. C 2011, 115, 16161–16166;13) Chin. J. Chem. Phys., Vol. 32, 207-212 (2019);14)一种可集成的密集纳米颗粒单层膜氢气传感器的制备方法, ZL200910028487.3;15) 基于金属纳米间隙的纳米应力传感器及其制备方法, ZL201210438519.9;16) 一种基于纳米粒子点阵量子输运特性的振动传感器,ZL201610003870.3;17) 一种基于纳米粒子点阵的电阻式气体压力计,ZL201710976931.9;18) 基于纳米粒子点阵量子电导的柔性温敏压力传感器及其组装方法和应用与流程, ZL201910063879.7】