近日，復旦大學微電子學院盧紅亮教授課題組首次結合熱氧化工藝、原子層沉積（ALD）工藝和溶劑熱工藝合成了金屬有機框架（MOF）修飾的α-Fe2O3@ZnO@ZIF-8核殼異質納米線材料，并以此制備了低功耗MEMS基硫化氫（H2S）氣體傳感器，對濃度低至200 ppb H2S實現了超靈敏和高選擇性的探測。相關成果以“Heterostructured α-Fe2O3@ZnO@ZIF-8 Core–Shell Nanowires for a Highly Selective MEMS-Based ppb-Level H2S Gas Sensor System”為題發表在國際頂級期刊Small上。復旦大學微電子學院盧紅亮教授為本文通訊作者，博士研究生朱立遠為第一作者。

H2S是一種酸性有害腐蝕性氣體，其化學性質不穩定，與空氣混合燃燒時會發生爆炸，泄漏會造成嚴重的環境污染。除此之外，H2S還會對人體健康造成極大危害，高濃度時會導致意識突然喪失，甚至昏迷窒息致死。因此，開發靈敏度高、響應迅速、穩定性好的H2S氣體傳感器，對環境中H2S的濃度進行實時監控意義重大。

隨著新材料的研究不斷深入，MOF材料在氣體傳感領域展現了極大的應用前景。MOF多孔納米材料由金屬離子和有機配體自組裝而成，具有孔隙率高、比表面積大、孔道規則和功能可調等優點。因此，金屬氧化物半導體（MOS）異質外延MOF材料，不僅擁有異質結構能夠有效增加材料本身的耗盡層，提高材料對氣體的響應度和靈敏度，同時外延的MOF材料擁有規則的孔隙，能夠有效阻隔尺寸大于孔隙的氣體分子，從而大幅提升氣體傳感的選擇性，有效解決純MOS材料選擇性較差的問題。據我們所知，目前還沒有關于設計和制備形貌和組分可控的氧化鐵納米線原位異質外延MOF納米材料并用于氣體傳感領域的報道。

本研究提出了一種新型高效的大規模制備α-Fe2O3納米線異質外延ZnO@ZIF-8微孔納米材料的合成路線，具體方案是首先通過工藝簡單的熱氧化法制備核層α-Fe2O3納米線，然后借助ALD技術異質外延ZnO作為籽晶層，并通過溶劑熱工藝進一步外延MOF材料ZIF-8，最終得到α-Fe2O3納米線異質外延ZnO@ZIF-8的微孔納米材料。

其中，采用先進的ALD技術能夠對ZnO籽晶層的合成實現原子層級精確控制，同時采用簡單的溶劑熱法，具有可重復性好、成品率高、制備效率高等優點，為規模化制備新型異質MOS@MOF氣敏納米材料提供了一種全新的思路。此外，ZnO薄膜的厚度和有機配體反應物的濃度經過精心調控，以研究其生長機制以及對最終異質MOS@MOF納米材料的形貌、組分和H2S傳感特性的影響。

制備得到的MOF基異質微孔納米線氣敏材料具有孔隙率高、比表面積大、熱穩定性較優等特點，能夠對ppb級微量硫化氫氣體實現超靈敏、高精度、高選擇性的探測。即使在50 ℃相對較低的工作溫度下，該傳感器對0.2-10 ppm H2S表現出可識別的響應，揭示了其在集成可穿戴柔性設備中的應用潛力。此外，本研究還開發了低功耗MEMS基H2S氣體傳感器系統，在將來智慧城市等領域具有巨大的應用潛力。

圖1 (a) αFe2O3@ZnO@ZIF-8核殼異質納米線的合成路線圖；(b) MEMS器件結構圖；(c) MEMS基氣體傳感系統搭建示意圖

圖2 精心調控形貌、組分的α-Fe2O3@ZnO@ZIF-8異質納米線的SEM表征結果和ALD生長速率分析圖

圖3 H2S氣體傳感性能測試結果

圖4 氣體傳感機理及其系統搭建

論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202204828

盧紅亮教授領銜的智能微納傳感芯片及系統課題組正大力開展基于各種納米復合材料的微納智能氣體傳感器及集成系統的研究，2022年已有多項微納智能氣體傳感器研究成果發表于Journal of Colloid and Interface Science,Sensors and Actuators B: Chemical,Applied Surface Science和ACSApplied Nano Materials等國際頂級期刊，另有一篇相關綜述發表于Nano-Micro Letters。

審核編輯 ：李倩