基于纳米复合材料的新型传感器对甲醛快速灵敏检测研究

本课题面向室内典型空气污染物甲醛检测与控制的国家重大需求，创新性地提出基于纳米复合敏感材料的新型场效应晶体管结构的电子传感器器件用于甲醛气体的快速灵敏检测。用水热法制备出结构与性质可控的氧化镍（NiO）功能化单壁碳纳米管（Single-walled Carbon Nanotubes, SWNTs）的一维纳米复合敏感材料，将NiO-SWNTs复合敏感材料精确组装在硅基场效应晶体管结构的传感器芯片载体表面，实现基于NiO-SWNTs纳米复合材料的传感器对甲醛的特异性识别和对其浓度的精确检测，使其具有高灵敏度、高选择性、和实时快速响应能力，并深入了解NiO与SWNTs之间的界面效应和相互作用,探索NiO-SWNTs与甲醛分子之间的吸附反应动力学机理。本项目为研究新型传感器应用于痕量环境污染物检测提供理论基础和新的技术方法，并对解决我国严重的室内甲醛空气污染有着十分重要的意义。

本项目的实施任务基本按照预期研究计划执行，基于“高效、可控”的研究策略，构建“高灵敏度、高选择性、低成本”的甲醛气体传感器。在技术方面，我们解决了硅基阵列场效应晶体管（FET）的设计、微纳加工、组装、集成以及封装等关键技术的优化，创造性地制备了叉齿型电极结构，大大提高了传感器的灵敏度；在敏感材料的组装中，我们大胆地进行学科交叉，引入新兴的气溶胶喷射技术，解决困扰许久的咖啡环效应对传感性能的影响。在材料制备方面，我们利用水热法、电化学法等简单的物理、化学方法得到Ni(OH)2纳米材料，其兼具稳定性、可控性，在有效的控制成本的情况下，得到性能优异的纳米材料；同时，NiO在碳纳米材料表面的一致性、重复性的结合。在应用方面，我们解决了甲醛分子的高灵敏度、高选择性检测，实现最低检出限8ppb，检测区间拓展到8ppb-8ppm。.另外，应环境空气质量的检测与控制的国家重大需求，在NiO复合碳纳米材料的基础上，我们对敏感材料种类及制备工艺、检测物质的选择、传感器的结构性能等进行了有效地拓展，研究工作主要表现在以下三个方面：.（1）利用水的张力，完成自支撑的SWNT膜的剥离，并实现其在多衬底上的转移，解决大面积碳纳米材料膜的低成本化制备问题；.（2）打破以硅基材料作为衬底制备传感芯片的传统，实现柔性衬底上传感芯片的高精度打印，极大地拓展了传感器的应用领域；.（3）基于自支撑CNTs膜的柔性阵列化的器件实现环境分子（如RH）的高灵敏度、高稳定性、低检出限检测，检测区间达到4.3%-75.7%，并应用于非接触式传感器。.在国家自然科学基金的资助下，我们共发表了13篇学术论文，其中SCI影响因子大于10的学术论文2篇，SCI影响因子大于5的学术论文8篇。