气体传感—超快湿度响应式比色传感器和防伪显示器

2022-03-21

关注

研究背景

生物和化学物质的实时检测是现代公共卫生、环境监测和智能物联网系统中人们日益关注的一个新兴课题。因此，智能、直观、小体积的气体传感器随着市场容量的增加引起了广泛关注。

气体传感器主要包括以下5种：包括电导半导体金属氧化物传感器、质量敏感传感器、热量热传感器、电化学传感器和光学传感器。其中，光学传感器具有瞬时响应、最先进的灵敏度和高气体特异性等特点。

创新点

浦项科技大学Junsuk Rho课题组与韩国电子与电信研究所Sung-Hoon Hong课题组合作报道了一种超快的全色度湿度传感器，由壳聚糖水凝胶夹在无序金属纳米颗粒层和反射基底组成。由于壳聚糖水凝胶在湿润状态下膨胀，在干燥状态下收缩，所以这种水凝胶谐振器会因外部湿度条件，而改变其谐振频率。该传感器的响应时间比传统的法布里-佩罗设计的快10000倍速。快速气体渗透的起源是由金属纳米颗粒之间的间隙产生的膜孔。这种新的水凝胶谐振器的瞬时和可调谐响应随后被用于比色传感器、防伪应用和高分辨率显示。

文章解析

图1：MNHM金属板及其成分的图形说明。(A)周围潮湿和干燥状态下MNHM金属板的示意图。(B) AgNPs-OLA转化为AgNPs-SCN。聚集的纳米团簇形成膜孔，帮助气体渗透到水凝胶层。(C)在湿度变化条件下壳聚糖水凝胶的膨胀/收缩。

图2：MNHM金属板的光学响应。(A)MNHM-SCN金属蛋白在RH下的反射光谱范围为0~90%。(B)XY值的CIE1931颜色空间。(C)AFM和FDTD测量计算的RH壳聚糖层厚度变化。(D)SEM和AgNPs-SCN板的建模图像。(E)从s参数分析中得到的有效折射率。(F)MNHM-SCN金属板的归一化电场分布

图3：测量MNHM传感器的响应/恢复时间和重复性。不同谐振器的(A)响应时间和(B)恢复时间的比较。(C)MNHM-SCN的重复性测试。通过实时测量RH20和80%两种重复变化状态下的强度。每个状态保持10秒，重复60次。壳聚糖溶液的浓度为2%。旋转涂层速度为2500rpm。

图4：湿度响应型的安全标签。(A)QR码的侧视图好俯视图。(B)这三个像素的反射光谱。(C)不同RH条件下两个QR码的光学图像。

图5：使用MNHM-SCN结构的高分辨率显示器。(A)像素化的MNHM-SCN。(B)在RH0、70、80和90%下的情况。

读后感

智能家居自动化和现代公共卫生领域对实时、敏感的湿度传感器的开发需求巨大。

作者基于无序np的金属板结构，设计了快速光响应的传感器，它具有全色变化和超快响应(~0.1s)的特点。无序的MNPs形成的膜孔小于穿透气体的平均自由程的膜孔，称为克努森扩散。

此外，作者还展示了该技术在二维码和像素化显示器的应用，以响应外部湿度的动态变化，从而突出了比色传感器和防伪显示器的潜力。

【参考文献】

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm8598

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