王中林小组制备出高性能传感器

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    美国佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）和中科院纳米能源与系统研究所王中林教授领导的研究小组最近利用压电电子学效应对肖特基结纳米线传感器进行调节，制备出高性能传感器——pH传感器和蛋白质传感器。

    纳米线传感器在纳米系统和人们日常生活中有很大的应用前景。传统的纳米线化学传感器主要是基于两端欧姆的纳米线，通过目标分子在纳米线表面吸附引起的纳米线电阻改变来进行化学检测。这种单根纳米线化学传感器通常可通过的电流都很小，在pA至nA量级，需要较为精密的测量仪器进行测量。另外，分子在表面的吸附和解吸附是一个相对较慢的过程，这也导致相应的传感器反应时间和恢复时间较长，这也严重地限制了传感器的应用。

    王中林教授领导的小组深入分析比较了肖特基接触和欧姆接触的原理和特点，四年前就提出了肖特基接触可以用于构造高灵敏度传感器的不同于传统想法的新概念， 并成功地在紫外光传感，生物传感和化学传感方面证明了这类新型传感器不仅灵敏度高，其反应时间和恢复时间也有了质的飞跃。这些新型传感器的优异性能归功于肖特基接触。肖特基势垒的高度对电流的传输起到关键作用。这两种传感器的原理就好比调节河流水流量的两种方式：传统纳米线传感器是利用改变河道宽度来控制水流量，而肖特基接触纳米线传感器是靠改变上游水坝高度来控制通过的水流量。

    压电效应是压电材料在应力作用下产生形变时出现的一种内部电势的现象，广泛应用于微机械传感、器件驱动和能源领域。对于氧化锌、氮化镓等半导体材料，由于同时具有压电性和半导体性，压电效应可以改变金属-半导体的界面势垒和p-n结的输运性质，这就是压电电子学效应。基于这一想法，潘曹峰博士 于若蒙， 牛思淼和朱光等博士生在王中林教授领导下先后构建了基于表面修饰的ZnO纳米线、具有肖特基接触的pH传感器和蛋白质传感器，并通过外加应力使ZnO纳米线内部产生压电电场，从而调节肖特基接触势垒高度，使这种化学传感器在探测相同浓度的蛋白质分子和质子浓度时，器件检测信号极大的提升了数个量级，其结果分别发表在《美国化学会纳米》(ACS Nano, 2013, DOI: 10.1021/nn306007p）和《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science, 2013, 6,494)。这类新型纳米线传感器通过对纳米线施加一定应力，使其内部产生压电电势，在纳米线两端产生不可屏蔽的压电电荷，进而调整纳米线两端肖特基接触势垒高度，改变传感器的输运性质，提升传感器的检测信号。文章中报道了同一个器件，通过施加0.92%的压缩应变后，其检测电流可从不加应力时的1.2nA提高到1.8μA，超过1000倍，使得传感器信号检测更为容易，从而摆脱对高精度检测仪器的依赖。更为重要的是，纳米线内部的极化电场和极化电荷有可能将溶液中远处的带相反电荷的待探测物质（如质子、带电离子团等）通过静电引力吸附到纳米线附近溶液中，使得行测物质在纳米线传感器附近“浓缩”，这样待测物质或目标分子在纳米线上的吸附机率将大为增加，这样便可提升同种化学物质的化学检测极限。这种基于肖特基结纳米结构以及压电电子学效应的化学传感器的设计思路和方法，在自驱动、环境监测，甚至国防科技方面都将有很大的应用前景。