廣譜氣體傳感器在化學合成、地質(zhì)科學和行星探測等前沿領域具有廣泛的應用需求，開發(fā)能夠在復雜環(huán)境（例如多種混合氣體或極端溫度）中精準識別氣體成分的廣譜氣體傳感器對于這些技術(shù)領域至關重要。目前的主要挑戰(zhàn)是尋找既具有高化學穩(wěn)定性又具備寬工作溫度范圍的材料。通過非化學方法增強信號的新材料，有望為廣譜氣體檢測開辟新的傳感路徑。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學技術(shù)大學國家同步輻射實驗室和荷蘭特溫特大學MESA+納米技術(shù)研究所等機構(gòu)的研究人員聯(lián)合開發(fā)出一種基于LaFeO?摻雜LaAlO?/SrTiO?界面關聯(lián)二維電子氣（C-2DEG）的廣譜氣體傳感器。這種獨特的廣譜C-2DEG氣體傳感器不受混合氣體的影響，并且能保持較寬的工作溫度范圍，其測量依賴于簡單的電阻變化讀數(shù)。這項研究為廣譜氣體檢測提供了一種低成本且高效的解決方案。相關研究成果以“A broad-spectrum gas sensor based on correlated two-dimensional electron gas”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。

圖1 本研究提出的廣譜C-2DEG氣體傳感器

高遷移率二維電子氣（2DEG）是在SrTiO?和LaAlO?這兩種絕緣體界面上發(fā)現(xiàn)的，這一發(fā)現(xiàn)極大地拓寬了關聯(lián)氧化物電子學的研究領域，并催生了革命性的技術(shù)應用。C-2DEG的電子態(tài)可以通過外場調(diào)控輕松實現(xiàn)，該機制顯示了其推進氧化物電子器件革新的巨大潛力。

在這項研究工作中，研究人員探討了在LaAlO?/SrTiO?界面摻雜LaFeO?引起的金屬-絕緣體非易失性轉(zhuǎn)變，利用2DEG的外場調(diào)控實現(xiàn)了界面載流子的非易失性耗盡。較低的界面載流子濃度會在相同分壓下導致對相同氣體產(chǎn)生更大的電阻響應，通過在LaAlO?/SrTiO?界面摻雜LaFeO?可以顯著降低界面載流子濃度，從而提高了其對氣體的敏感性。

圖2 廣譜C-2DEG氣體傳感器的機理

廣譜C-2DEG氣體傳感器在復雜混合氣體環(huán)境中的靈敏度是其實際應用的關鍵特性之一。為了評估其性能，研究人員在綜合物性測量系統(tǒng)（PPMS）腔內(nèi)混合了4.5 Torr多組分氣體（95% CO? + 3% N? + 2% CO）以模擬火星大氣。結(jié)果表明，即使在含有多種氣體的低壓環(huán)境中，該廣譜C-2DEG氣體傳感器仍然能夠靈敏識別不同的氣體成分，并且氣體檢測分壓低至90 mTorr。

圖3 廣譜C-2DEG氣體傳感器的外場調(diào)控電阻響應

為了進一步定量確定廣譜C-2DEG氣體傳感器的檢測限，研究人員分析了氣體升華或沸騰時電導斜率的瞬時變化與氣體分壓的關系。擬合結(jié)果表明，CO?和C?H?的檢測限分別為0.025 Torr和0.40 Torr，在標準大氣壓環(huán)境下分別相當于33 ppm和530 ppm，這一結(jié)果顯著優(yōu)于目前已有報道的金屬氧化物半導體（MOS）氣體傳感器的檢測限。

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，低溫并非廣譜C-2DEG氣體傳感器工作的必要條件，只要溫度低于氣體的凝固點，通過外場調(diào)控即可激活傳感器，這意味著廣譜C-2DEG氣體傳感器能夠在極其寬的溫度范圍內(nèi)工作。

圖4 廣譜C-2DEG氣體傳感器的性能

總而言之，基于LaFeO?摻雜LaAlO?/SrTiO?界面的廣譜C-2DEG氣體傳感器具有優(yōu)異的廣譜氣體敏感性，能夠精確測量氣體分壓，并有效檢測包括惰性氣體（如N?）、稀有氣體（如Ar）、極性氣體（如CH?）以及非極性氣體在內(nèi)的多種氣體，其檢測限可達mTorr級別甚至更低。特別是在標準大氣壓下，CO?的檢測限值相當于33 ppm，與目前已有報道的最佳MOS氣體傳感器性能相媲美。此外，這種由外場調(diào)控引發(fā)的非易失性金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變極其迅速，甚至可達到超快速度，這對器件的實際應用具有重要意義。未來，研究人員將繼續(xù)探索以進一步提升廣譜C-2DEG氣體傳感器的響應速度，以期實現(xiàn)更高的檢測效率和更廣泛的應用前景。

審核編輯：劉清