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Adv. Mater.:安全的保障-光电肖特基传感实现对爆炸物蒸汽的痕量级识别

【引言】
为了维护国家安全与社会稳定,实现对与恐怖主义袭击有关的爆炸物的检测是非常有必要的,由此针对爆炸物的可靠性痕量检测的发展也是刻不容缓。目前,在爆炸物痕量检测领域,发展起来的技术有离子迁移谱法、荧光检测以及气体传感。在此之间,对爆炸物的气相检测具有非接触及取样简单的优点。随之,纳米传感器因其高比表面积和高反应活性而成为对痕量爆炸物蒸汽最有效的检测手段。
【成果简介】
中国科学院新疆理化技术研究所窦新存(通讯作者)等人开发了一个基于光电肖特基结的快速、超灵敏的人工嗅觉系统,可实现对不同爆炸物蒸汽的识别性检测,包括TNT、DNT、PNT、PA等等。这个方法主要基于光电子SiNWs/ZnO/rGO肖特基传感器,这较传统的肖特基传感器,在夜间工作时,对爆炸物蒸汽更是超灵敏、快速光电响应和光强度可调。
【图文导读】
图一、传感器的表征与性能测试

   
(a) SiNW阵列的截面FESEM图
(b) 负载有ZnO纳米颗粒的单个SiNW的TEM图像
(c) SiNWs/ZnO/rGO异质结的截面FESEM图
(d) 传感器在黑暗及空气状态下的I-V对数刻度表征曲线
(e) 传感器在黑暗状态对八种不同爆炸物蒸汽的响应情况
(f) 传感器在黑暗状态对八种不同爆炸物蒸汽的响应时间与恢复时间
图二、传感器的光敏响应以及能带结构分析

 
(a) 通过周期性的打开和关上468 nm 单色LED光(光强范围分别在1-8 Wm-2,偏压-1V)和(b) 在468 nm光(6 Wm-2)下测试电子上升时间和衰败时间,偏差压-1V,来测定传感器随时间变化的光敏响应。
(c) 传感器相应的I-V特征曲线(内嵌图:曲线逆向的放大图)。
(d) 不同光强度下的ΦBand Voc值。
(e) 光照明下,肖特基异质结的能带图。Ec1、Ev1和 Eg1分别为ZnO的导带、价带和能带隙;Ec2、Ev2和 Eg2分别为Si的导带、价带和能带隙;Ef(Gr) 是rGO的费米能级, Ef′(Gr) 是rGO的准费米能级, ΦB 是肖特基势垒高度,VR 是反响偏压,Δ′是一定光强度照明引起的SBH降低。石墨烯狄拉克圆锥红色表面表示注入ZnO的孔洞;在照明下,反向偏压Ef′(Gr)的施加及打开大量的可及状态使ZnO填入光激孔洞。Esub为ZnO的次级状态。
图三、传感器对不同爆炸物蒸汽的性能及作用机制分析

 
(a) 室温下,传感器对TNT饱和蒸汽的光敏响应。
(b) TNT、DNT、PNT、PA、RDX、Urea、BP 和AN饱和蒸汽在室温下,响应程度随光强度的变化。
(c) 光照下,肖特基结的能带图,以表示传感机制。Φ′B(var)为不同光照强度下的肖特基势垒。Δ″为吸收被分析物分子时引起的SBH改变。黄色星代表分析物分子,随着光强度的提高,光诱发的孔洞和电子数量的增加。
(d) 响应值的PCA图
图四、传感器对不同爆炸物蒸汽的性能测试

 
(a) 肖特基传感器在50 ppm NO2下随时间改变的光敏响应
(b) 室温下,八种不同饱和爆炸物蒸汽在三种干涉气体(各50 ppm的NO2、NH3、乙醇)下的PCA图。
(c) 通过周期性打开和关闭468 nm光照和改变光强度(1-8 W m-2)来测定不同BP蒸汽含量下肖特基传感器随时间变化的光敏响应。
(d) 室温下,八种饱和爆炸物蒸汽以及两种已知浓度PA和BP蒸汽的PCA图。
【小结】
基于光电SiNWs/ZnO/rGO肖特基异质结的传感器具备超灵敏、实时传感的特点,堪称新型人工嗅觉系统!这种光电肖特基传感器对爆炸物蒸汽灵敏、快速且多样化光敏响应,连同对不同光强半优先的特点,共同促进具单个传感器的传感阵列的实现。在低于室温饱和蒸气压下,该传感器也可实现灵敏、定量和半定量测定爆炸蒸汽的浓度。如此发展,技能满满的肖特基传感器将能更快推进应用,实现对爆炸物蒸汽的痕量测量。
文献链接Artificial Olfactory System for Trace Identification of Explosive Vapors Realized by Optoelectronic Schottky Sensing(Adv. Mater.,2016,DOI:10.1002/adma.201604528)
本文由材料人编辑部电子电工学术组大黑天供稿,材料牛编辑整理。
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