中国科学技术大学廖昭亮团队Nat. Commun.: 基于关联二维电子气的广谱气体传感器

传统基于吸附或氧化还原反应机制的气体传感器一般只能探测特定的一种或少数几种气体成分，并且只能在特定的温区工作，极大的限制了其在多种气体混合的复杂环境中的应用及稀有气体和惰性气体的探测。

中国科学技术大学国家同步辐射实验室廖昭亮团队研制了一种新的基于铝酸镧/钛酸锶（LaAlO₃/SrTiO₃）薄膜界面关联二维电子气（C-2DEG）的广谱气体传感原型器件。利用界面二维电子气的电阻响应，纯物理的方法探测了多种气体。不论是极性气体、有机气体，还是非极性、惰性气体甚至稀有气体的响应，它都能很好的分辨和探测，并得到具有线性相关的气体分压。该新型广谱探测器对某些气体的测量极限可以与目前主流的商用传感器相当。相关成果近日以“A broad-spectrum gas sensor based on correlated two-dimensional electron gas”为题发表于国际权威期刊《自然·通讯》（Nature Communications 14, 8496 (2023)）。

图1. 用于外太空气体探测的关联二维电子气（C-2DEG）广谱气体传感器

C-2DEG是在两种绝缘材料（LaAlO₃和SrTiO₃）的界面处发现的，其界面的电子状态可以简单地通过电场进行调控，这一技术的涌现为关联氧化物电子学带来了广阔的发展前景和许多突破性的技术应用。近年来，许多基于显微探针顶栅极的概念器件被大量提出，例如SketchFET晶体管，太赫兹成像，光子探测，波荡器等。然而，这种高成本的方式构筑的器件难以进行推广应用。

图2. 广谱C-2DEG气体传感器结构

本研究中研究人员将另一种绝缘材料LaFeO₃ 调掺杂在该新奇的界面后，发现这一调掺使得界面载流子浓度显著降低。在低温下，通过施加底栅极电压，强大的电场将稀薄的气体电离，电子会在电场的作用下吸附在固化在薄膜表面的气体冰层中。底栅极撤去后，C-2DEG界面将会感生出和气体冰层中电子数量一样多的正电荷，从而耗尽界面载流子浓度，实现非易失的金属绝缘体转变。当气体升华或沸腾时，会带走吸附的电子，这将改变C-2DEG载流子浓度，进而通过电阻响应识别气体成分。在升温时，研究人员观察到气体在升华或沸腾时将会改变电导-时间曲线的斜率，通过定义两个斜率间的夹角：相转变角 Θ，可以得到 Θ与分压的线性相关，从而定量的测量该气体的分压。其中CO₂的测量极限预期可以与目前报道的最优异的MOS气体传感器比拟。

图3. 广谱C-2DEG气体传感器特性

中国科学技术大学博士生洪宇昊为本文独立一作，中国科学技术大学廖昭亮教授和荷兰特文特大学Guus Rijinders教授为共同通讯。该工作得到了合肥光源（NSRL）宝贵机时支持，同时也受到了科技部重点研发、国家自然科学基金的支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44331-7#citeas