新型ZnO纳米线可显著降低湿度对SAW紫外传感器的影响
2022-11-19 15:23:58 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
使用包裹有疏水性二氧化硅纳米颗粒的ZnO纳米线作为有效的敏感层，可以有效地阻止水分子在ZnO纳米线上的吸附。这种新的敏感层设计在10-70%的相对湿度范围内，最大限度地降低了湿度对基于ZnO纳米线的紫外传感器的影响。
声表面波（SAW）技术由于其小型化、便携性、与微电子集成的潜力以及无源/无线等优点，已被广泛用于紫外（UV）检测。为了提高紫外灵敏度，纳米线（nanowires，NWs），例如ZnO，由于其高度多孔和互连的3D网络结构以及良好的紫外灵敏度，经常被应用于提高基于SAW的紫外检测能力。然而，ZnO纳米线通常是亲水性的，因此，环境参数（例如湿度）的变化将显著影响基于SAW的紫外传感器的检测精度和灵敏度。
据麦姆斯咨询报道，为了解决上述问题，近日，湖南大学提出了一种新的策略，使用包裹有疏水性二氧化硅纳米颗粒的ZnO纳米线作为有效的敏感层。对这些疏水性二氧化硅纳米颗粒的分布和化学键的分析表明，在敏感层的表面上发现了大量C-F键（疏水性），这有效地阻止了水分子在ZnO纳米线上的吸附。这种新的敏感层设计在10-70%的相对湿度范围内，最大限度地降低了湿度对基于ZnO纳米线的紫外传感器的影响。该传感器具有9.53ppm（mW/cm²）⁻¹的紫外灵敏度、高线性度（R²值为0.99904）、小迟滞（<1.65%）和良好的重现性。
在这项工作中，研究人员将疏水性二氧化硅纳米颗粒包裹在ZnO纳米线表面。该敏感层的设计方法下图所示，有效地整合了这两种纳米材料的优点。为了制造SAW紫外传感器，使用滴涂工艺将敏感材料涂覆到SAW器件的声波传播区域上，然后在45 °C下干燥30 分钟以形成紫外敏感层。
基于SAW敏感层的紫外检测和传感测试系统示意图
为了优化工艺参数，研究人员制备了四种类型的ZnO纳米线敏感层。ZnO纳米线彼此堆叠并交错以形成大量的多孔互连网络，构建出具有大表面体积比的3D多孔结构，从而提高SAW传感器的传感性能。相关实验结果表明，疏水性二氧化硅纳米颗粒包裹在ZnO纳米线的表面，可以有效地将其表面由亲水性调节为疏水性。进一步地，研究人员使用XPS分析证实了疏水性C-F键的形成。
LiNbO₃衬底上四种敏感层的表征
四种敏感层中C、F和Si元素的元素分布图
SAW紫外传感响应可分为由声电效应引起的快速响应过程和由热效应引起的慢速响应过程。我们可以通过提高声电效应的响应速度来进一步提高这种器件的紫外响应速度（因为热效应不会使该数值增加太多）。石墨烯量子点（Graphene quantum dots，GQDs）先前被添加到ZnO纳米线中，可以为ZnO纳米线提供更多的氧吸附位点。这种新的复合材料（即ZnO纳米线和石墨烯量子点层+疏水层）将加速器件表面上氧分子的吸附和解吸过程，从而缩短响应时间和恢复时间。使用这种新的复合敏感层，在高光强度（89 mW/cm²）下，响应时间可以降至134秒，恢复时间降至189秒。值得注意的是，在低光强度（11 mW/cm²）下，响应时间降到9秒，恢复时间降至40秒。与先前的许多研究相比，研究人员所开发的湿度不敏感型SAW紫外传感器在低光强度下具有相对更好的灵敏度和更快的响应速度。
具有新敏感层的SAW传感器的性能测试结果
总之，研究人员提出了一种新的策略，通过使用一种新的混合材料设计——将疏水性二氧化硅纳米颗粒包裹在ZnO纳米线表面，从而将ZnO纳米线的性能从亲水状态调节到疏水状态。这种新设计的敏感层在10–70%相对湿度范围内显著降低了湿度对ZnO纳米线紫外传感器的干扰，该传感器表现出9.53ppm（mW/cm²）⁻¹的紫外灵敏度、高线性度（R²值为0.99904）、小迟滞（小于1.65%）和良好的重现性。研究了使用混合材料减小湿度效应的构造方法，并探讨了SAW紫外检测的声电效应和热效应的传感机理。此外，研究人员提出了一种AI算法（随机森林算法）来区分环境温度和紫外线效应。这项工作解决了湿度对ZnO纳米线传感器严重影响的长期难题，并在各种环境湿度条件下监测紫外线水平方面具有巨大潜力。
论文信息：https://www.nature.com/articles/s41378-022-00455-2
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