近年來，氫能產業愈發受到關注。除了氫能汽車和氫染料電池這些熱門領域之外，在化工、航空和半導體產業等領域中，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，在氫氣的產生、運輸、存儲和使用的所有環節，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。

在氣體光學的傳感技術中，經常會用到可調諧激光吸收光譜技術。但是，這種技術在氫氣傳感上表現不佳，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-硅納米異質結構。其中，鉑是催化氫分子分解的優良催化劑。

鉑納米結構還能有效激發表面等離子體共振，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，鉑納米結構產生的表面等離子體共振，具有極高的光吸收特質。因此，鉑的內部會產生熱電子，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，會對熱電子輸運產生直接影響，進而可以實現基于光學效應的、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-硅納米異質結構中，我們發現了一個新奇的 S 線型電流-電壓關系，正是這個反常的物理現象引起了我們的注意，并為我們帶來了研發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，也承擔了不少產業界的橫向課題。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。尤其在氫能產業蓬勃發展的當下，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，幾乎在氫氣產生、運輸、存儲和使用的所有環節，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、核電站等地方看到我們的技術產品。”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的依賴。”

雖然光學傳感器的論文非常多，但大多數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，是體現其性能的一種方式。通過這種方式，可以體現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。對于業界同仁和消費者來說，其所產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。經過一番調研之后，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，經常被用到的可調諧激光吸收光譜技術，在氫氣傳感上存在表現不佳的弊端。

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，他們發現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-硅納米異質結構，來實現光催化-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，因為我們曾經接近放棄。”

在研發光學氫氣傳感的時候，多數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-硅異質結能夠實現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，我們發現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。為了弄清楚內在機制，他們耗費大量精力進行建模計算和分析，最終將內在機制梳理清楚：即鉑催化分解產生的氫原子，擴散到鉑-硅界面之后會產生偶極子層。它們對熱電子發射起到調控作用，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節，畢竟有了新的物理發現，也有了優異的器件性能，等于已經是一個完整充實的工作了。不過，我一直從實用性角度出發，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。尤其是對于物聯網和大數據的應用來說，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需求，并基于前期經驗研發出了最終版的器件。在終版器件的制備中，無需圖形化工藝、也無需激光器，只需要常規的退火工藝和低廉的 LED 光源，就可以實現同樣的傳感功能。

在進一步優化器件的結構之后，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現、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現，也有優異的器件性能。

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，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，他們打算把本次發現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”戰略。

審核編輯 ：李倩