據(jù)麥姆斯咨詢介紹，空氣質(zhì)量對(duì)人類健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)重大影響，因此，環(huán)境氣體污染的控制正變得越來(lái)越重要?；诩{米結(jié)構(gòu)薄膜的新型氣敏器件有望提供更高的靈敏度、選擇性和更快的響應(yīng)時(shí)間。
質(zhì)譜、紅外光譜和激光吸收光譜等氣體混合物分析技術(shù)，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)氣體污染物。不過(guò)，利用這些傳統(tǒng)分析儀器檢測(cè)往往耗時(shí)且昂貴，而且通常不支持偏遠(yuǎn)地區(qū)和室外條件。
過(guò)去數(shù)十年來(lái)，緊湊型氣體傳感器作為多種氣體污染物探測(cè)器引起了人們的極高關(guān)注，它們可以檢測(cè)來(lái)自自然來(lái)源和工業(yè)制造領(lǐng)域的NOx、SOx、HCl、CO2、揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）以及氟碳化合物等。有害和污染氣體的快速實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)環(huán)境控制、化學(xué)制造、制藥、醫(yī)療診斷和許多其他領(lǐng)域具有重要意義。
目前，半導(dǎo)體金屬氧化物薄膜是應(yīng)用最廣泛的氣體傳感器類型之一。金屬氧化物薄膜由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、易用以及多種氣體檢測(cè)能力，而在氣體傳感領(lǐng)域較早興起。
金屬氧化物薄膜氣體傳感器原理
通過(guò)氣敏材料各種物理性質(zhì)的變化，可以檢測(cè)污染氣體的存在，例如導(dǎo)電性、電容、功函數(shù)、質(zhì)量、光學(xué)特性或在氣/固相互作用過(guò)程中釋放的能量。此外，氣敏層的厚度（<1 μm）及其表面形貌可以大幅提高氣敏性能。不過(guò)，大多數(shù)薄膜氣體傳感器仍存在響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間以及靈敏度相關(guān)的短板。
用于氣體傳感器的納米結(jié)構(gòu)金屬氧化物
近年來(lái)，納米技術(shù)的迅速發(fā)展為人們解決薄膜氣體傳感器的短板提供了新選擇。
金屬氧化物納米線、納米帶和納米顆粒等半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的工業(yè)化規(guī)模制造能力，為構(gòu)建具有極高靈敏度的納米結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜氣體傳感器提供了基礎(chǔ)。這種納米結(jié)構(gòu)器件的表面積顯著增加，改善了表面上氣體物質(zhì)的吸附，從而提高了器件性能。
此外，與傳統(tǒng)氣體傳感器相比，吸附氣體分子的后續(xù)催化活性提高了傳感性能，從而縮短了響應(yīng)時(shí)間。然而，由于制造成本的增加，采用納米結(jié)構(gòu)金屬氧化物薄膜的氣體傳感器相比采用塊體材料的氣體傳感器要昂貴。
用于選擇性可調(diào)氣體傳感器的納米圖案化導(dǎo)電聚合物
近年，隨著有機(jī)電子學(xué)的發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)出基于聚合物的氣體傳感器。通過(guò)將導(dǎo)電聚合物（如聚苯胺和聚吡咯）以類似有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的配置在絕緣襯底上進(jìn)行納米圖案化，可以檢測(cè)極低濃度的各種有機(jī)化合物，包括三硝基甲苯和其他硝基芳香族爆炸物等。
聚合物基氣體傳感器的靈敏度取決于傳感區(qū)域的納米結(jié)構(gòu)。添加金屬氧化物納米顆粒、石墨烯薄片或碳納米管可以實(shí)現(xiàn)傳感器的選擇性可調(diào)。
高靈敏度氣體傳感器的實(shí)用解決方案，碳基納米材料
原始石墨烯是一種具有零帶隙半金屬電子特性的原子厚度碳材料，通常需要進(jìn)一步的表面功能化以增強(qiáng)對(duì)氣體分子的檢測(cè)。
石墨烯基薄膜氣體傳感器原理圖
石墨烯衍生物，如功能氧化石墨烯和碳納米管，由于具有極高的表面體積比，使得整個(gè)原子薄層都可以受到氣體分子的影響，因而在氣體檢測(cè)方面展示出巨大的前景。此外，功能氧化石墨烯的化學(xué)修飾表面增強(qiáng)了氣體分子的吸收，并改善了向傳感器電極的傳遞。
帶有叉指電極和金屬納米顆粒修飾石墨烯通道的氣體傳感器示意圖
氣體傳感器性能的未來(lái)挑戰(zhàn)
盡管最近取得了一些進(jìn)展，但在氣體傳感器中充分利用納米結(jié)構(gòu)薄膜的優(yōu)勢(shì)仍存在一些挑戰(zhàn)。為了確保氣體傳感器的一致性和可重復(fù)特性，需要在厚度、成分和形態(tài)方面更好地控制納米結(jié)構(gòu)的制造。
這些因素的考量對(duì)于石墨烯基氣體傳感器來(lái)說(shuō)尤其重要，因?yàn)槿魏沃圃煲恢滦詥?wèn)題都會(huì)嚴(yán)重影響器件的溫度穩(wěn)定性、選擇性、響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間、重復(fù)性和耐久性。這類納米結(jié)構(gòu)氣體傳感器的大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，還需要開發(fā)更具成本效益的納米制造工藝。
延伸閱讀：
《盛思銳氣體傳感器SGP30產(chǎn)品分析》
《環(huán)境氣體傳感器技術(shù)及市場(chǎng)趨勢(shì)-2020版》
