氫能源是一種零碳排放的化石燃料替代品。隨著氫經濟的興起，推動了氫氣傳感器3A標準的制定，即Accessible（高集成度、易于使用）、Affordable（低制造及使用成本）和Appliable（高精度、快速響應）。然而，由于氫氣具有高度易燃易爆的特性，因此及時靈敏的泄漏檢測至關重要。

據麥姆斯咨詢報道，近日，暨南大學陳沁教授團隊聯合英國格拉斯哥大學David R.S. Cumming教授團隊提出一種基于金屬-絕緣層-半導體（MIS）納米結構的片上等離子體催化氫氣傳感器，可在室溫和零偏置下工作，其濃度檢測限低至1 ppm。

與其他非等離子體器件相比，該器件的傳感信號增強了3個數量級，響應速度提高了1個數量級，該性能優勢歸功于氫誘導界面偶極電荷層和等離子體熱電子調制光電響應。這種將等離子體光學、光電檢測和光催化集于一體的片上集成技術，為下一代光學氣體傳感器提供了非常有前景的策略，能夠更好地滿足高靈敏度、低時延、低成本、高便攜性和靈活性的需求。相關研究成果已發表于Light: Science & Applications期刊。

用于揭示氫分子和熱電子之間相互作用的等離子體催化MIS結構

等離子體傳感是一種新興技術，具有滿足氫氣傳感器3A標準的潛力。由于金屬表面強烈的局域電磁場，表面等離子體共振（SPR）和被測物質的相互作用會導致共振波長、振幅、相位和偏振產生顯著變化，表現出超高的靈敏度。此外，低成本的納米制備技術，例如納米壓印、納米球光刻和化學合成已被廣泛用于制造各種等離子體傳感結構。然而，盡管傳感器芯片本身結構緊湊，由于缺乏原位光電轉換能力，等離子體傳感器嚴重依賴于光譜儀和BioCore生物分析傳感系統等復雜、昂貴的儀器，限制了其在現場和便攜式裝置上的應用。

針對這一問題，陳沁教授等研究人員提出一種由鉑-硅納米結構組成的新型氫傳感系統，具有等離子體傳感、光電檢測和光催化三重功能。在等離子體激元激發下，氫氣在MIS結構上的注入會導致出現一種與惰性氣體中測量結果顯著不同的異常光電I-V特性。在I-V曲線中觀察到的S形扭結表明，由于扭結附近形成了偶極電荷層，氫分子對熱電子收集過程產生了抑制作用。考慮到界面偶極子和量子隧穿過程，研究人員建立了耦合光電模擬模型，以揭示其背后的機制。結果表明，界面偶極電荷的存在是光電扭結效應的主要決定因素，因為它誘導了一個強大的阻擋場，阻止了光產生的熱電子隧穿氧化物層。這個研究結果為揭示分子、等離子體激元和催化劑之間相互作用的復雜機制提供了重要見解。

依賴于氫介導的扭結效應，等離子體催化MIS結構可用于實現具有魯棒性的光電氫氣傳感器。與傳統的基于MIS或金屬-半導體（MS）結構的電化學氣體傳感器相比，該光電傳感策略具有以下優勢：（1）金屬催化劑中熱電子動力學的參與可以促進表面氫分子的解離反應，從而使器件獲得較高的響應速度；（2）基于氫調控光電轉換，循環測試時的電流偏移可比暗操作模式高出約1500倍；（3）所提出的傳感器裝置在室溫和零偏置條件下運行，能夠對極低的氫含量（ppm級別）提供可重復、靈敏的響應，且無需電加熱和外部電壓偏置。

使用量子隧穿模型定量描述氫誘導的S扭結效應

等離子體催化MIS結構器件的氫傳感性能

這項研究提出的等離子體催化MIS納米結構策略，有望為便攜式和現場檢測提供具有高靈敏度、高集成度和低成本的3A標準氣體傳感平臺。

通過將等離子體熱載流子動力學與界面電結構催化反應相結合，不僅為基礎科學提供了豐富的研究領域，還對開發更高效的光催化和生化傳感策略具有重大的實際意義。

審核編輯：劉清