新型ZnO納米線可顯著降低濕度對SAW紫外傳感器的影響

聲表面波（SAW）技術由于其小型化、便攜性、與微電子集成的潛力以及無源/無線等優點，已被廣泛用于紫外（UV）檢測。為了提高紫外靈敏度，納米線（nanowires，NWs），例如ZnO，由于其高度多孔和互連的3D網絡結構以及良好的紫外靈敏度，經常被應用于提高基于SAW的紫外檢測能力。然而，ZnO納米線通常是親水性的，因此，環境參數（例如濕度）的變化將顯著影響基于SAW的紫外傳感器的檢測精度和靈敏度。

據麥姆斯咨詢報道，為了解決上述問題，近日，湖南大學提出了一種新的策略，使用包裹有疏水性二氧化硅納米顆粒的ZnO納米線作為有效的敏感層。對這些疏水性二氧化硅納米顆粒的分布和化學鍵的分析表明，在敏感層的表面上發現了大量C-F鍵（疏水性），這有效地阻止了水分子在ZnO納米線上的吸附。這種新的敏感層設計在10-70%的相對濕度范圍內，最大限度地降低了濕度對基于ZnO納米線的紫外傳感器的影響。該傳感器具有9.53ppm（mW/cm2）?1的紫外靈敏度、高線性度（R2值為0.99904）、小遲滯（<1.65%）和良好的重現性。

在這項工作中，研究人員將疏水性二氧化硅納米顆粒包裹在ZnO納米線表面。該敏感層的設計方法下圖所示，有效地整合了這兩種納米材料的優點。為了制造SAW紫外傳感器，使用滴涂工藝將敏感材料涂覆到SAW器件的聲波傳播區域上，然后在45?°C下干燥30?分鐘以形成紫外敏感層。

基于SAW敏感層的紫外檢測和傳感測試系統示意圖

為了優化工藝參數，研究人員制備了四種類型的ZnO納米線敏感層。ZnO納米線彼此堆疊并交錯以形成大量的多孔互連網絡，構建出具有大表面體積比的3D多孔結構，從而提高SAW傳感器的傳感性能。相關實驗結果表明，疏水性二氧化硅納米顆粒包裹在ZnO納米線的表面，可以有效地將其表面由親水性調節為疏水性。進一步地，研究人員使用XPS分析證實了疏水性C-F鍵的形成。

LiNbO?襯底上四種敏感層的表征

四種敏感層中C、F和Si元素的元素分布圖

SAW紫外傳感響應可分為由聲電效應引起的快速響應過程和由熱效應引起的慢速響應過程。我們可以通過提高聲電效應的響應速度來進一步提高這種器件的紫外響應速度（因為熱效應不會使該數值增加太多）。石墨烯量子點（Graphene quantum dots，GQDs）先前被添加到ZnO納米線中，可以為ZnO納米線提供更多的氧吸附位點。這種新的復合材料（即ZnO納米線和石墨烯量子點層+疏水層）將加速器件表面上氧分子的吸附和解吸過程，從而縮短響應時間和恢復時間。使用這種新的復合敏感層，在高光強度（89?mW/cm2）下，響應時間可以降至134秒，恢復時間降至189秒。值得注意的是，在低光強度（11?mW/cm2）下，響應時間降到9秒，恢復時間降至40秒。與先前的許多研究相比，研究人員所開發的濕度不敏感型SAW紫外傳感器在低光強度下具有相對更好的靈敏度和更快的響應速度。

具有新敏感層的SAW傳感器的性能測試結果

總之，研究人員提出了一種新的策略，通過使用一種新的混合材料設計——將疏水性二氧化硅納米顆粒包裹在ZnO納米線表面，從而將ZnO納米線的性能從親水狀態調節到疏水狀態。這種新設計的敏感層在10–70%相對濕度范圍內顯著降低了濕度對ZnO納米線紫外傳感器的干擾，該傳感器表現出9.53ppm（mW/cm2）?1的紫外靈敏度、高線性度（R2值為0.99904）、小遲滯（小于1.65%）和良好的重現性。研究了使用混合材料減小濕度效應的構造方法，并探討了SAW紫外檢測的聲電效應和熱效應的傳感機理。此外，研究人員提出了一種AI算法（隨機森林算法）來區分環境溫度和紫外線效應。這項工作解決了濕度對ZnO納米線傳感器嚴重影響的長期難題，并在各種環境濕度條件下監測紫外線水平方面具有巨大潛力。

審核編輯：湯梓紅