氢能源是一种零碳排放的化石燃料替代品。随着氢经济的兴起，推动了氢气传感器3A标准的制定，即Accessible（高集成度、易于使用）、Affordable（低制造及使用成本）和Appliable（高精度、快速响应）。然而，由于氢气具有高度易燃易爆的特性，因此及时灵敏的泄漏检测至关重要。
据麦姆斯咨询报道，近日，暨南大学陈沁教授团队联合英国格拉斯哥大学David R.S. Cumming教授团队提出一种基于金属-绝缘层-半导体（MIS）纳米结构的片上等离子体催化氢气传感器，可在室温和零偏置下工作，其浓度检测限低至1 ppm。与其他非等离子体器件相比，该器件的传感信号增强了3个数量级，响应速度提高了1个数量级，该性能优势归功于氢诱导界面偶极电荷层和等离子体热电子调制光电响应。这种将等离子体光学、光电检测和光催化集于一体的片上集成技术，为下一代光学气体传感器提供了非常有前景的策略，能够更好地满足高灵敏度、低时延、低成本、高便携性和灵活性的需求。相关研究成果已发表于Light: Science & Applications期刊。
用于揭示氢分子和热电子之间相互作用的等离子体催化MIS结构
等离子体传感是一种新兴技术，具有满足氢气传感器3A标准的潜力。由于金属表面强烈的局域电磁场，表面等离子体共振（SPR）和被测物质的相互作用会导致共振波长、振幅、相位和偏振产生显著变化，表现出超高的灵敏度。此外，低成本的纳米制备技术，例如纳米压印、纳米球光刻和化学合成已被广泛用于制造各种等离子体传感结构。然而，尽管传感器芯片本身结构紧凑，由于缺乏原位光电转换能力，等离子体传感器严重依赖于光谱仪和BioCore生物分析传感系统等复杂、昂贵的仪器，限制了其在现场和便携式装置上的应用。
针对这一问题，陈沁教授等研究人员提出一种由铂-硅纳米结构组成的新型氢传感系统，具有等离子体传感、光电检测和光催化三重功能。在等离子体激元激发下，氢气在MIS结构上的注入会导致出现一种与惰性气体中测量结果显著不同的异常光电I-V特性。在I-V曲线中观察到的S形扭结表明，由于扭结附近形成了偶极电荷层，氢分子对热电子收集过程产生了抑制作用。考虑到界面偶极子和量子隧穿过程，研究人员建立了耦合光电模拟模型，以揭示其背后的机制。结果表明，界面偶极电荷的存在是光电扭结效应的主要决定因素，因为它诱导了一个强大的阻挡场，阻止了光产生的热电子隧穿氧化物层。这个研究结果为揭示分子、等离子体激元和催化剂之间相互作用的复杂机制提供了重要见解。
依赖于氢介导的扭结效应，等离子体催化MIS结构可用于实现具有鲁棒性的光电氢气传感器。与传统的基于MIS或金属-半导体（MS）结构的电化学气体传感器相比，该光电传感策略具有以下优势：（1）金属催化剂中热电子动力学的参与可以促进表面氢分子的解离反应，从而使器件获得较高的响应速度；（2）基于氢调控光电转换，循环测试时的电流偏移可比暗操作模式高出约1500倍；（3）所提出的传感器装置在室温和零偏置条件下运行，能够对极低的氢含量（ppm级别）提供可重复、灵敏的响应，且无需电加热和外部电压偏置。
使用量子隧穿模型定量描述氢诱导的S扭结效应
等离子体催化MIS结构器件的氢传感性能
这项研究提出的等离子体催化MIS纳米结构策略，有望为便携式和现场检测提供具有高灵敏度、高集成度和低成本的3A标准气体传感平台。
通过将等离子体热载流子动力学与界面电结构催化反应相结合，不仅为基础科学提供了丰富的研究领域，还对开发更高效的光催化和生化传感策略具有重大的实际意义。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41377-023-01123-4
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