近年來，氫能產(chǎn)業(yè)愈發(fā)受到關注。除了氫能汽車和氫染料電池這些熱門領域之外，在化工、航空和半導體產(chǎn)業(yè)等領域中，氫氣也有著廣泛應用。為此，甚至誕生了一個名為“hydrogen economy”的專用詞匯。

氫氣很重要，同時它又非常危險，不僅易燃、易爆而且氫氣的泄露非常不易被察覺。日本福島核電站的爆炸事故，正是由于氫氣泄漏造成的。

因此，在氫氣的產(chǎn)生、運輸、存儲和使用的所有環(huán)節(jié)，都需要氫氣傳感器。由于檢測難度較高，因此這類傳感器必須具備高靈敏度、高集成性、低延時、低成本等特質(zhì)。

在氣體光學的傳感技術中，經(jīng)常會用到可調(diào)諧激光吸收光譜技術。但是，這種技術在氫氣傳感上表現(xiàn)不佳，原因在于氫氣的紅外吸收非常弱，這會導致檢測靈敏度被拉低。而且，這種技術依賴昂貴的可調(diào)諧激光器和探測器，通常需要較大尺寸的氣室以便可以形成諧振腔。

此外，使用電學或電化學傳感器來進行氫氣傳感，通常需要施加偏壓和加溫，靈敏度既不夠高、延時也比較長，故在氫氣傳感應用中存在一些劣勢。

基于此，暨南大學陳沁教授和文龍教授團隊提出一種新型氫氣傳感技術，它單片集成了光催化、光傳感、光探測等功能，可以有效克服常規(guī)光學傳感技術對于外部復雜光學檢測設備的依賴性，同時在室溫和零偏壓條件下獲得了 ppm 級的高靈敏度、以及速度達到秒級的氫氣傳感性能。

這種新型氫氣傳感器基于鉑-硅納米異質(zhì)結構。其中，鉑是催化氫分子分解的優(yōu)良催化劑。

鉑納米結構還能有效激發(fā)表面等離子體共振，進而獲得具有近場局域和高效光吸收的傳感表面。而且，鉑-硅還可以形成肖特基結，從而實現(xiàn)光電之間的轉換。

（來源：Light: Science & Applications）

相比以往報道的氫氣傳感器，這款新型氫氣傳感器的工作原理也不相同：

一方面，它通過利用鉑的催化特性，來將器件表面的氫分子分解為氫原子，這些氫原子擴散到鉑硅界面會形成偶極子層；

另一方面，鉑納米結構產(chǎn)生的表面等離子體共振，具有極高的光吸收特質(zhì)。因此，鉑的內(nèi)部會產(chǎn)生熱電子，進而注入到硅里面形成光電流。

與氫氣濃度相關的偶極子層，會對熱電子輸運產(chǎn)生直接影響，進而可以實現(xiàn)基于光學效應的、能在片上直接電讀出的氫氣傳感器。

陳沁表示：“在本次技術的背后，有著這樣一個故事：在鉑-硅納米異質(zhì)結構中，我們發(fā)現(xiàn)了一個新奇的 S 線型電流-電壓關系，正是這個反常的物理現(xiàn)象引起了我們的注意，并為我們帶來了研發(fā)高性能氫氣傳感的可能，也促使我們深入分析背后的物理機制，進而梳理出全新的工作原理。”

同時，這款基于光催化-光傳感-光探測一體化單片集成的傳感架構，具有高效、高集成、低成本等優(yōu)勢，有望在更多檢測場景中得到應用。

陳沁表示：“我們團隊一直在圍繞相關應用開展基礎型研究。除了縱向課題，也承擔了不少產(chǎn)業(yè)界的橫向課題。我的觀點是：所研究的問題要從實際中來，要有明確的應用導向。我很喜歡琢磨新理論和新機制的應用前景，以及如何解決新技術在應用過程中面臨的問題。”

因此，在定下本次課題的時候，他和團隊有著明確的應用導向。尤其在氫能產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的當下，高靈敏度、低延時、高集成性和低成本的氫氣傳感器無疑具有巨大的應用市場。

如前所述，氫氣易燃易爆而且其泄露不易被察覺，幾乎在氫氣產(chǎn)生、運輸、存儲和使用的所有環(huán)節(jié)，都需要這樣的傳感器。

“因此我希望將來可以在氫能汽車、氫燃料電池存儲站、電網(wǎng)、核電站等地方看到我們的技術產(chǎn)品。”陳沁說。

（來源：Light: Science & Applications）

曾首次報道“片上直接電讀出”光學傳感器

近年來，陳沁課題組一直聚焦于片上集成的光學傳感檢測技術的研究。他說：“我們一直在‘啃一個硬骨頭’，就是如何解決光學傳感技術對檢測儀器和系統(tǒng)的依賴。”

雖然光學傳感器的論文非常多，但大多數(shù)技術都依賴外部昂貴復雜的檢測設備，這就造成了學界研究很熱鬧、業(yè)界卻鮮少見到光學傳感器的尷尬局面。

2019年，該團隊首次報道了片上直接電讀出光學傳感器，它涉及到一種光學傳感芯片技術，該技術能夠完全擺脫外部光學檢測儀器。

折射率傳感，是體現(xiàn)其性能的一種方式。通過這種方式，可以體現(xiàn)光學傳感技術最根本、最核心的特征。

但是，這種方式缺乏對于被測物的選擇性，在性能展示上也缺乏具體的應用場景。對于業(yè)界同仁和消費者來說，其所產(chǎn)生的影響力和說服力十分有限。

意識到這一問題之后，陳沁課題組打算針對公眾比較關注的傳感應用領域開展研究，以便讓相關學術理念得到更廣泛的推廣。經(jīng)過一番調(diào)研之后，他們選擇氫氣傳感作為研究目標。

如前所述，在氣體光學傳感技術中，經(jīng)常被用到的可調(diào)諧激光吸收光譜技術，在氫氣傳感上存在表現(xiàn)不佳的弊端。

此外，對于電學或電化學傳感器來說，通常需要對其加壓和加溫，整體上存在靈敏度不高、延時較長的缺點。一直以來，這類傳感器在氫氣傳感的應用中都存在不足。

其次，他們發(fā)現(xiàn)近年來有不少氫氣光學傳感的研究，都將鈀金屬氫化的特性與納米光學效應結合在一起。

在前人的這些研究中，盡管傳感器的靈敏度普遍不高，對于光學檢測系統(tǒng)也存在依賴性，但卻為陳沁團隊的研究提供了技術參考。

很快，他們制定出這樣一個技術方案：基于鈀-硅納米異質(zhì)結構，來實現(xiàn)光催化-光傳感-光探測的單片功能集成。

（來源：Light: Science & Applications）

“一個從回收站里撈出來的研究成果”

“接下來就是做具體的實驗，納米結構和光電探測器制備等步驟，對于我們來說是輕車熟路。不過，最初得到的器件性能并不理想。而且，鈀氫化后的形變導致器件只用一次就出現(xiàn)了開裂。”陳沁說。

于是，課題組對器件進行重復加工和測試，盡管做了大量對比分析，但卻一直沒能突破。

幸運的是，一個不經(jīng)意的改變讓本次工作如獲新生。陳沁回憶稱：“可以說這是一個從回收站里撈出來的研究成果，因為我們曾經(jīng)接近放棄。”

在研發(fā)光學氫氣傳感的時候，多數(shù)人都會使用鈀材料來做催化劑，并基于氫化反應帶來的光學性質(zhì)的變化，來提取氫氣濃度的傳感信號。

最初，他們也是從這一點入手，希望利用鈀-硅異質(zhì)結能夠實現(xiàn)高性能的氫氣傳感平臺。

“可是我們組的一個碩士研究生做了好久，都沒有得到好結果。而且，鈀材料被氫化之后非常容易開裂，器件實用性并不夠高。我的學生也比較郁悶，因此停滯了一段時間，分出精力去做了其他課題。”陳沁說。

后來，該團隊的文龍教授提出可以嘗試一下鉑金屬。“很驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)性能立刻得到大幅提升，開裂問題隨之消失，重復性也非常好。為了測試性能，我們買了一個 1000多元的商業(yè)氫氣傳感器。對比結果顯示，我們的器件擁有更好的性能。”陳沁說。

（來源：Light: Science & Applications）

器件性能達到預期，并不是研究的結束。為了弄清楚內(nèi)在機制，他們耗費大量精力進行建模計算和分析，最終將內(nèi)在機制梳理清楚：即鉑催化分解產(chǎn)生的氫原子，擴散到鉑-硅界面之后會產(chǎn)生偶極子層。它們對熱電子發(fā)射起到調(diào)控作用，進而誘導出對氫氣濃度高靈敏和高速響應的光電流信號。

“研究進行到這里，其實完全可以進入寫論文環(huán)節(jié)，畢竟有了新的物理發(fā)現(xiàn)，也有了優(yōu)異的器件性能，等于已經(jīng)是一個完整充實的工作了。不過，我一直從實用性角度出發(fā)，不斷審視這項工作。”陳沁說。

成本，是傳感器應用中無法回避的問題。尤其是對于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的應用來說，海量的廉價傳感器是重中之重。

陳沁說：“對于我們第一個版本的器件來說，需要采用步進式***對其進行加工，在測試性能時還需要使用準直激光光源，這不僅造成了較高的器件加工成本和使用成本，而且也不利于實際操作。”

為了解決這個問題，他們深入思考這款傳感器的本質(zhì)需求，并基于前期經(jīng)驗研發(fā)出了最終版的器件。在終版器件的制備中，無需圖形化工藝、也無需激光器，只需要常規(guī)的退火工藝和低廉的 LED 光源，就可以實現(xiàn)同樣的傳感功能。

在進一步優(yōu)化器件的結構之后，氫氣檢測限達到 1ppm。“直到這時，我們終于給這項工作畫上了階段性的完美句號。而正視技術創(chuàng)新在實用中面臨的瓶頸問題，也始終貫穿在研究中的每個階段。”陳沁說。

最終，相關論文以《基于等離子體誘導的熱電子-分子相互作用的超靈敏快速氫傳感》（On-chip ultrasensitive and rapid hydrogen sensing based on plasmon-induced hot electron–molecule interaction）為題發(fā)在Light: Science & Applications上[1]，文龍是第一作者，陳沁擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Light: Science & Applications）

陳沁繼續(xù)說道，自己一直非常青睞那種頂天立地的科研工作，也就是既有重大科學發(fā)現(xiàn)、又有重要實用價值的研究。

本次成果也許還達不到這樣的高度，但卻是他本人非常滿意的工作：其中既有全新機制的發(fā)現(xiàn)，也有優(yōu)異的器件性能。

陳沁表示：“這些只是一個開始，一方面我們將從光學、電學和材料學角度出發(fā)，進一步提升氫氣傳感器的性能，以便達到更低的檢測極限、以及更快的響應速度。這樣一來，甚至在核電站這種級別的場景都有用武之地。”

另一方面，他們打算把本次發(fā)現(xiàn)的新機制用于碳基氣體等其他氣體的檢測，以便更好地適應國家的“雙碳”戰(zhàn)略。

審核編輯 ：李倩