乙烯（C2H4）是一種無色氣體，具有甜味，在水果成熟過程中起著至關(guān)重要的指示作用。實(shí)時(shí)監(jiān)測水果運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中C2H4的濃度對于確保水果質(zhì)量至關(guān)重要。目前，乙烯實(shí)時(shí)監(jiān)測的主要挑戰(zhàn)是ppm水平濃度的檢測限（通常在果實(shí)成熟過程中為1-100 ppm）和傳感器的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間，主要是由于C2H4分子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)導(dǎo)致非極性分子的吸附和解吸困難?；诠庾V法的C2H4檢測具有最快的響應(yīng)和回收時(shí)間，因?yàn)闆]有吸附和解吸過程，但這種方法成本高、體積大、使用不便。相比之下，化學(xué)電阻式C2H4傳感器正受到關(guān)注，由于其體積小、易于操作且成本低，預(yù)計(jì)將用于實(shí)時(shí)監(jiān)測。然而，C2H4的吸附是化學(xué)吸附，這使得幾乎不可能自發(fā)解吸，通常需要加熱（約150-450°C）或照射。即使在整合了加熱或輻照系統(tǒng)后，報(bào)告的C2H4氣體傳感器的平均恢復(fù)時(shí)間仍>100秒，仍然難以實(shí)現(xiàn)完全恢復(fù)。氣體傳感器的不完全恢復(fù)將導(dǎo)致基線漂移和響應(yīng)逐漸降低，這將影響后續(xù)測試的準(zhǔn)確性。另一方面，加熱或輻照設(shè)備的集成也給芯片集成和應(yīng)用帶來了困難。開發(fā)一種無需加熱和輻照即可快速甚至完全恢復(fù)的C2H4氣體傳感器，對于集成、便攜式和實(shí)時(shí)監(jiān)測應(yīng)用尤為重要。

近年來，由于電場的電子行為調(diào)節(jié)能力和片上集成的簡單性，在氣體傳感器中利用電場代替加熱或輻照引起了廣泛關(guān)注。之前的研究利用電場在氣體傳感器中實(shí)現(xiàn)了較低的檢測限、較高的響應(yīng)和更好的選擇性，原則上也給出了一種可能性，即通過合理的設(shè)計(jì)，可以利用電場來提高傳感器的恢復(fù)速度。感測材料中電場的傳輸速度接近光速，允許幾乎瞬時(shí)的電子行為調(diào)節(jié)，使氣體傳感器能夠更快地恢復(fù)，特別是與熱傳輸相比。然而，之前的工作主要集中在通過使用電場直接影響NO2和NH3等極性氣體分子來提高傳感器性能，但對于非極性氣體原子，電場不能直接影響分子以促進(jìn)解吸。因此，至關(guān)重要的是澄清為什么C2H4的解吸具有挑戰(zhàn)性，并設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾妶稣{(diào)節(jié)策略來開發(fā)一種快速且完全可回收的C2H4氣體傳感器。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作提出了一種用于非極性氣體檢測的脈沖電場調(diào)制模式，該模式能夠在室溫下快速完全恢復(fù)傳感器。

2. 與沒有電場輔助幾乎不可能解吸相比，當(dāng)施加+60 V脈沖柵極電壓時(shí)，9 ppm C2H4的恢復(fù)時(shí)間可以縮短到78秒，這幾乎相當(dāng)于加熱或照射下的記錄值（250°C下50秒）。

3. 在柵極感應(yīng)電場的幫助下，傳感器在100秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)了完全解吸。

圖文解析

圖1. 傳感材料的合成工藝和氣敏測量平臺(tái)。a） SnO2/MoO3復(fù)合材料的合成過程示意圖。b） SnO2/MoO3FET傳感器制造工藝示意圖及其光學(xué)照片（右上插圖）。c） 氣敏測量平臺(tái)示意圖。

圖2. SnO2/MoO3復(fù)合材料和碳納米管通道的表征。a） SnO2/MoO3復(fù)合材料的XRD圖譜。b） SnO2/MoO3的FE-SEM圖像。c） SnO2/MoO3的HRTEM圖像。d） SnO2/MoO3和MoO3的XPS光譜調(diào)查。Mo 3d和f）O 1s的高分辨率XPS光譜。g） 碳納米管薄膜的拉曼光譜。h）CNT薄膜和i）蝕刻后CNT的FE-SEM圖像，左下角是碳基FET的FE-SSEM圖像。

圖3. SnO2/MoO3FET傳感器的表征及其傳感機(jī)理。a） 10個(gè)碳基FET的傳輸特性曲線。b） 橫截面的FE-SEM圖像和SnO2/MoO3FET傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。c） SnO2/MoO3FET傳感器的傳輸特性曲線。d） SnO2/MoO3FET傳感器在室溫下對3 ppm C2H4的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和恢復(fù)，無需脈沖Vgs輔助。e） SnO2/MoO3復(fù)合材料的C2H4傳感機(jī)理示意圖。f） O2從SnO2/MoO3捕獲電子的低概率示意圖。g） 電場下SnO2/MoO3的高表面電子密度的電勢分布和示意圖，增加了O2捕獲電子的概率。h） SnO2/MoO3FET傳感器對3 ppm C2H4的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和恢復(fù)，其中在解吸過程中Vgs等于+30 V。i） 對9 ppm C2H4的響應(yīng)和回收過程。

圖4. SnO2/MoO3FET傳感器的一致性、選擇性、長期穩(wěn)定性等關(guān)鍵特性。a） SnO2、MoO3、SnO2/MoO3FET傳感器對1-15 ppm C2H4濃度的實(shí)時(shí)氣體響應(yīng)。b） 從不同制造批次中隨機(jī)選擇的十五個(gè)傳感器的響應(yīng)值。c） 重復(fù)SnO2/MoO3FET傳感器對3 ppm C2H4的響應(yīng)恢復(fù)曲線。d） 濕度對傳感器響應(yīng)的影響。SnO2/MoO3FET傳感器的響應(yīng)e）在室溫下對3 ppm的不同氣體的響應(yīng)和f）在25天內(nèi)對3 ppm C2H4的響應(yīng)。

圖5. 香蕉成熟過程中C2H4濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。a） 傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的光學(xué)圖。b） 微控制器測試的Ids與C2H4濃度之間的關(guān)系。c） 輸出C2H4濃度與指定C2H4氣體濃度之間的關(guān)系。d） 實(shí)時(shí)C2H4濃度監(jiān)測系統(tǒng)的光學(xué)照片，左上角的插圖顯示了傳感器芯片。e、 f）界面顯示不同的存儲(chǔ)

來源：柔性傳感及器件