掺杂氧化铟纳米晶多功能传感器

图1多功能传感器结构示意图

便携式设备和物联 的快速发展为多功能传感器的研究提供了助力。检测光辐射、生物活动、压力和气体以及监测环境变化的多功能传感器具有巨大的潜在应用。可实现高效的健康监测、神经医疗设备、人机界面交互和其他集成智能微系统。与结合了压力/应力传感器和湿度的多功能传感器进行交互，可以提供周围环境的丰富信息，有利于健康状态的评估；触摸或温度敏感的多功能传感器可以应用在残疾人的假肢中；具有气体传感能力和紫外（UV）探测能力的多功能传感器可以追踪环境变化，包括有害气体浓度、环境温度、紫外线辐射等，为人类活动监测和个人远程医疗护理提供有价值的信息。

多功能材料的开发和合成是构建多功能器件的先决条件。虽然基于ITO NCs的光电器件研究取得了重要进展，但目前开发的器件通常目标功能单一，无法满足多功能传感平台的需求。在这项工作中，研究团队构建了一种ITO NCs多功能传感器，该多功能器件实现了紫外和红外波段双波段光电探测以及室温下的NO2气体探测。利用ITO NCs的等离激元共振效应，器件可以在波长为2200nm范围获得显著的光响应，最大响应率为177.7 mA W-1，比探测率约为1 × 109Jones，同时通过ITO NCs的本征光吸收，器件也可以实现紫外光检测，在375 nm波长下的比探测率约为1.3 ×1010Jones，并且器件作为气体传感器对二氧化氮具有显著的响应和低检测下限(219 ppb)。

图2不同掺杂浓度的ITO NCs。(a) ITONCs合成的实验流程图。(b) 10%和(c)12.5%锡掺杂的ITONCs的透射电镜图像。(d) ITONCs在不同掺杂浓度下的紫外-可见-近红外吸收光谱。(e)不同配体交换后具有10%锡掺杂的ITONCs的UV-vis-NIR吸收光谱和(f)FTIR表征结果。(g)不同配体交换后具有10%锡掺杂的ITONCs的UPS结果。

图3 (a)在SiO2/Si衬底上制备的光电探测器示意图。(b)不同配体的ITONCs器件的暗电流。(c)不同配体的ITONCs器件的光电流。没有电压偏置(d)和(e)电压偏置的能带图。在波长为2200 nm下的不同入射光功率EDT配体的ITONCs器件在2200nm下的(f) I-T曲线和(g)光电流和响应度。在波长为375 nm下的不同入射光功率EDT配体的ITONCs器件的(h)I-T曲线和(i)光电流和响应度。

图4不同退火温度下的ITO NC器件性能。（a）ITO NC的UV-vis-NIR吸收光谱。(b)器件在黑暗中的I-V特性。(c)器件的I-T特性。(d)器件的光电流和暗电流。(e)器件的响应度和比探测率。

图5 ITO NC在紫外线照射下的气体传感性能。(a)在375 nm紫外光下，器件在0.2-100 ppm范围内对NO2的动态响应-恢复曲线。(b)器件在0.2到100 ppm和(c) 0.2到10 ppm范围内对375 nm紫外光的响应。(d) ITO NCs在室温下连续暴露于1 ppm NO2的重复性。

研究团队 道的多功能传感器为新兴的小型化和集成化传感器提供了一个新的平台，在火灾救援、监测肺部炎症和预防紫外光造成的皮肤损伤方面有潜在的应用。

研究团队介绍

长春光机所应用光学国家重点实验室李绍娟研究员团队现有研究员1人，助理研究员2人，中科院特别研究助理2人，拥有国家自然科学基金优秀青年基金获得者、中科院高层次人才引进计划入选者、中科院院长优秀奖获得者等。团队前期在半导体光电材料的合成及光电器件的制备方面有丰富的研究经历，取得了一系列成果，发表SCI论 50余篇，其中包括Nature，ACS Nano，Advanced Functional Materials, Advanced Science，Small，ACS Applied Materials & Interfaces，ACS Photonics等领域知名刊物。先后承担和完成国家及省部级项目10多项，申请国家发明专利20余项，出版专著及教材3部。团队研究方向：研究方向包含两个方面：一是低维材料及应用光学物性研究，二是低维材料光电器件应用研究。