近期，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所與中科院上海微系統(tǒng)研究所的相關(guān)課題組合作，提出將微/納結(jié)構(gòu)有序多孔薄膜與基于微電子機(jī)械加工（MEMS）技術(shù)的微型基板相結(jié)合的思路，成功地實(shí)現(xiàn)了高性能電阻型薄膜氣敏器件。這種新型器件響應(yīng)速度快、功耗小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、制作重復(fù)性好，并且顯示出了大批量規(guī)模化生產(chǎn)的潛力，具有實(shí)用推廣價(jià)值。

氧化物（半導(dǎo)體）電阻型薄膜氣體傳感器，由于其成本低廉、制作簡單、使用方便及兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而，由于自身結(jié)構(gòu)與原理所限，其響應(yīng)速度慢、靈敏度低、功耗高，一般只能應(yīng)用于一些中、低端領(lǐng)域，無法用于高端領(lǐng)域。發(fā)展用于高端領(lǐng)域的高性能氣敏器件，一直是人們所追求的目標(biāo)與面臨的挑戰(zhàn)。這里所謂的高性能，是指氣體傳感器具有高的靈敏度（檢測極限達(dá)ppb量級）、快的響應(yīng)（秒量級）與恢復(fù)速率、低的功耗（可電池驅(qū)動(dòng)、長期使用）、高的穩(wěn)定性及良好的選擇性等。薄膜的氣敏特性，不僅取決于所使用的氣敏材料的表面物理、化學(xué)特性，而且也與薄膜的厚度、微結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。由納米單元構(gòu)成的氧化物氣敏薄膜，由于表面－體積比大，故有更好的氣敏性能，近年來已引起較廣泛的關(guān)注，并有許多研究報(bào)道。然而，這些由納米單元構(gòu)成的薄膜，大多采用簡單的人工刷涂或沉積所制備，器件之間的個(gè)體差異性無法避免，薄膜微結(jié)構(gòu)及其均勻性等也無法進(jìn)行有效控制與調(diào)控，進(jìn)而薄膜的氣敏參數(shù)難以實(shí)現(xiàn)人為控制和按需調(diào)整。

針對這些問題，固體所科研人員近年來發(fā)展了基于有機(jī)模板的微/納結(jié)構(gòu)有序多孔薄膜的制備技術(shù)，并將其引入電阻型薄膜氣敏器件的研究，很好地解決了薄膜微結(jié)構(gòu)的可控性、均勻性、一致性、穩(wěn)定性，以及薄膜氣敏器件制作的可重復(fù)性等一系列問題，實(shí)現(xiàn)了氣敏特性的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)與按需調(diào)控等。相關(guān)結(jié)果已在《先進(jìn)材料》（Adv. Mater., 2005, 17, 2872）、《材料化學(xué)期刊》（J. Mater. Chem., 2009, 19, 7301）、《美國化學(xué)學(xué)會(huì)納米》（ACS Nano, 2009, 3, 2697）、《先進(jìn)功能材料》（Adv. Funct. Mater., 2010, 20(21), 3765-3773）等發(fā)表。然而，總的來說這類薄膜器件的氣敏效能（靈敏度、響應(yīng)速率、功耗等）仍然遠(yuǎn)未達(dá)到高性能的要求。

最近，與中科院上海微系統(tǒng)研究所的相關(guān)課題組合作，固體科研人員提出將微/納結(jié)構(gòu)有序多孔薄膜與基于微電子機(jī)械加工（MEMS）技術(shù)的微型基板相結(jié)合的思路，成功地實(shí)現(xiàn)了高性能電阻型薄膜氣敏器件。首先，基于微加工技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種新型的三明治結(jié)構(gòu)的微型基板（圖1A），集成了微型加熱器與10微米間距的叉指電極；進(jìn)而通過所發(fā)展的有機(jī)膠體模板溶液浸漬－無損轉(zhuǎn)移的薄膜器件構(gòu)建策略，在微型基板上實(shí)現(xiàn)了氧化物微/納結(jié)構(gòu)有序多孔薄膜的原位合成,構(gòu)建了新型的氣敏器件（圖1B）；實(shí)驗(yàn)分析表明，氧化物微/納結(jié)構(gòu)有序多孔薄膜與微型基板兩者間具有良好的結(jié)構(gòu)與工藝兼容性（圖2）。以氧化錫薄膜對乙醇?xì)饷魹槔@種新型器件展現(xiàn)出高性能氣敏特性：秒量級的快速響應(yīng)、十億分之一量級的檢測極限與10毫瓦量級的低功耗（圖3）。重要的是，這類器件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、制作重復(fù)性好，并且顯示出了大批量規(guī)模化生產(chǎn)的潛力，因此具有實(shí)用推廣價(jià)值。

這項(xiàng)工作，將為下一代小型化/集成的高性能氣體傳感器設(shè)計(jì)與研制提供了新途徑，并為將電阻型薄膜氣體傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域拓展至高端領(lǐng)域（即：要求快速響應(yīng)、高靈敏、低功耗等的領(lǐng)域，如公共安全領(lǐng)域的高毒性氣體的痕量監(jiān)測及智能傳感網(wǎng)等）提供了近期可實(shí)現(xiàn)性。

相關(guān)研究結(jié)果已于4月17日在《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports, 3, 1669, 2013）上發(fā)表。

上述研究得到了國家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。

圖1:基于MEMS技術(shù)的微型基板結(jié)構(gòu)示意圖（A）與有機(jī)膠體模板溶液浸漬－無損轉(zhuǎn)移的薄膜器件構(gòu)建策略（B）。右側(cè)為對應(yīng)的實(shí)物照片。

圖2：基于微型基板的微/納結(jié)構(gòu)有序多孔薄膜器件照片。（A）：氧化錫單層微/納結(jié)構(gòu)有序多孔薄膜器件實(shí)際照片；（B）: 器件工作區(qū)的掃描電鏡照片，多孔薄膜在基板與叉指電極的表面上（標(biāo)尺為20微米）；（C）：對應(yīng)于（B）圖中矩形框區(qū)域（跨越電極的區(qū)域）的放大圖（標(biāo)尺為500納米）。

圖3：圖2所示的器件對乙醇的氣敏測量結(jié)果（工作溫度：350oC）。（A）：3ppm時(shí)的響應(yīng)曲線（響應(yīng)時(shí)間小于1秒）；（B）對不同濃度（100 ppb~500ppb）乙醇的氣敏響應(yīng)曲線（連續(xù)測量）；（C）：靈敏度與乙醇?xì)夥諠舛汝P(guān)系。