新疆爆炸物安全科学重点实验室在肖特基结检测爆炸物蒸气方面取得进展

       爆炸物检测作为反恐防爆的重要措施正日益彰显出广阔的应用前景。爆炸物蒸气检测技术具有非接触、采样简单、可靠性高、性能优异、多功能集成、可以批量生产等优点,使爆炸物探测器实现小型化、低成本和高精度成为可能。
  传统的气敏传感器通常是将敏感材料与电极构成欧姆接触,通过测量待测分子吸附引起的电流变化实现传感的目的。由于爆炸物蒸气压很低,在实际检测时,爆炸物分子浓度会更低,吸附在纳米线表面的爆炸物分子极少,造成传感器在实际检测时灵敏度很低。肖特基结是一种新近发现的优异气敏结构,在反向偏压下,电流与肖特基势垒高度具有指数关系,当待测分子吸附在肖特基结上时,会改变肖特基势垒高度,从而极大的改变电流大小。
  基于此,新疆爆炸物安全科学重点实验室科研人员首次构建了石墨烯/二氧化钛/硅纳米线三元肖特基结作为检测硝基爆炸物蒸气的气敏传感材料,在反向偏压及室温条件下实现了对TNT、DNT、PNT、PA、RDX和HMX六种爆炸物的高灵敏检测。该传感材料中硅纳米线阵列性质稳定,纳米线之间空隙多,有利于爆炸物分子扩散;石墨烯具有优良的物理和化学性能,同时作为电极形成肖特基结;二氧化钛插层调节了肖特基结的势垒高度,同时能够增大对硝基爆炸物的吸附能,从而显著提高对硝基爆炸物蒸气的传感选择性。该结构对于室温饱和蒸气压低至0.25 ppq(千万亿分之一)的HMX响应达到了3%。同时,该材料具有很高的选择性,对于浓度在ppb(十亿分之一)级别和以下的爆炸物蒸气的响应大小与对浓度高达10 ppm(百万分之一)的常见气体(氨气和二氧化氮)的响应大小相当。
  该研究不仅构建了基于肖特基结的高性能的爆炸物蒸气传感材料,同时,其中的界面调制思想为开发具有高灵敏度和高选择性的传感器提供了新的思路。
  相关研究成果发表在Advanced Functional Materials上,并被选为卷首插画。该工作得到了国家自然科学基金、中科院“百人计划”、新疆维吾尔自治区国际合作等项目的资助。
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石墨烯/二氧化钛/硅纳米线三元肖特基结检测TNT蒸气的示意图

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