3128 Acta Plys -Chim. Sin. 2010 VoL 26 随着智能化、信息化的不断发展,现代社会的如果氧化性气体与半导体型CNIs接触,CNIs中电 诸多领域,包括环境监测、工业生产、医疗诊断和国子被气体夺走,CNIs的空穴数量增加,其电导上升 防军事等,环境气体的实时监测已变得越来越意义 NTFET的特征曲线-V向正电压移动 重大.发展轻量化、便携式的实时气体分析传感器 从2000年Dai研究小组首次报道CNIs对环 将会显著影响人类的生活.目前,金属氧化物半导境气体具有敏感性能到2009年年底,已经发表了超 体(MOS)传感器和固态电解质(SE)传感器占据着气过4100篇以CNT传感器为主题的科研文献即-图 体传感器的绝大部分市场-.但二者都需要在较高2详细统计了每年发表的以CNT传感器为主题的科 温度下工作,消耗功率大、灵敏度低、抗干扰能力较研文献数量.从图中我们可以发现,每年有关这 差,使用不便-.随着纳米技术的发展,近年来发主题的文献仍在不断增多,这说明CNT传感器仍是 表了大量的有关纳米气体传感器的研究报道,特别当前的研究热点领域.本综述在结合我们自己的大 是碳纳米管(CNIs)气体传感器已获得明显进展Ⅳ明量研究工作的基础上概述了CNT气体传感器在环 1991年 iijima发现了CNIs,这迅速激起了全境监测、医学检测和国防军事等方面的发展现状, 球范围内的研究兴趣.大量的研究工作揭示了CNTs并将其与当前已经商业化应用的传感器相对比,同 独特的电学、物理、化学和力学性能目前研究时展望了碳纳米管气体传感器的研究前景 发现CNTs潜在的应用领域主要包括:纳米电子器 件、传感器、场发射、电池、储氢、显示和复合材料1cNT环境监测传感器 等即2.CNIs主要通过电弧放电法P、激光蒸发 环境监测是环境保护的基础,其中环境气体监 法叫和化学气相沉积(CVD法获得 测又是其中最重要的环节.从大的方面来说环境气 基于CNIs的电阻式传感器(图1(a)和场效应体监测包括全球气候变化监测和城市空气质量检 晶体管(FE传感器國(图1(b)被广泛用于检测环测等,而从小的方面来说又可以包括工厂生产环境 境气体分子的变化四.因为纳米管场效应晶体管气体监测、居民室内气体监测和办公环境气体监测 NTFET)中的CNIs导电通道几乎完全由表面原子等目前为止,CNT传感器对NH3、NO、H2、CO、O 组成的所以即使周围环境化学气体成分的微观变SO2和HS等气体表现出了较高的检测灵敏度科研 化都会引起 NTFET器件电导等其他性能的可观变人员为开发基于这些敏感性的新型CNT环境监测 化.举例来说,半导体型CNIs在通常的空气环境中气体传感器做了大量的研究工作 是p型P,即其多子是空穴当还原性气体与其接11cNT氨气(NH)和二氧化氮(NO)传感器 触的时候,如果发生电荷转移,电子会进入CNIs中 精确监测空气中NH3和NO2的浓度具有十分重 与其中的空穴复合,从而导致半导体型CNIs电导要的意义,这两种化学气体对人体健康和环境保护 下降, NTFET的特征曲线-V向负电压移动.同理, highly doped Si 图1碳纳米管(CNT电阻式传感器(a)和场效应晶体管 (FET传感器(b)结构示意图 Fig 1 Schematic of configurations of carbon nanotube 图22000-2009年历年发表的以碳纳米管传感器为主题 (CNT)sensor based on resistor(a)and field effect 的文章数量 transistor(FET)sensor(b)a Fig 2 Number of CNT sensor publications per year Functionalized CNTs contacting the two electrodes and a highly between 2000 and 2009 doped silicon back gate and a load resistor for the FEt Data were obtained from iSI Web of Knowledge 万方数据謇 吾 墓 雪 善 誊 誊 § 善 N N 刊 ㈡ N 刊 刊 N N ㈣ 咖 啪 咖 ㈣ ㈣ ㈣ 箸0119IIoja芎矗D暑oZ 姗 瑚 ㈣ o Acta Phys. ⁃Chim. Sin. 2010 Vol.26 随着智能化、信息化的不断发展, 现代社会的 诸多领域, 包括环境监测、工业生产、医疗诊断和国 防军事等, 环境气体的实时监测已变得越来越意义 重大. 发展轻量化、便携式的实时气体分析传感器 将会显著影响人类的生活. 目前, 金属氧化物半导 体(MOS)传感器和固态电解质(SE)传感器占据着气 体传感器的绝大部分市场[1-3] . 但二者都需要在较高 温度下工作, 消耗功率大、灵敏度低、抗干扰能力较 差, 使用不便[4-6] . 随着纳米技术的发展, 近年来发 表了大量的有关纳米气体传感器的研究报道, 特别 是碳纳米管(CNTs)气体传感器已获得明显进展[7-9] . 1991 年 Iijima[10] 发现了 CNTs, 这迅速激起了全 球范围内的研究兴趣. 大量的研究工作揭示了CNTs 独特的电学、物理、化学和力学性能[11-18] . 目前研究 发现 CNTs 潜在的应用领域主要包括: 纳米电子器 件、传感器、场发射、电池、储氢、显示和复合材料 等[19-21] . CNTs 主要通过电弧放电法[22-23] 、激光蒸发 法[24] 和化学气相沉积(CVD)法[25] 获得. 基于 CNTs 的电阻式传感器(图 1(a))和场效应 晶体管(FET)传感器[26] (图 1(b))被广泛用于检测环 境气体分子的变化[27] . 因为纳米管场效应晶体管 (NTFET)中的CNTs导电通道几乎完全由表面原子 组成的, 所以即使周围环境化学气体成分的微观变 化都会引起NTFET器件电导等其他性能的可观变 化. 举例来说, 半导体型CNTs在通常的空气环境中 是p型[28-29] , 即其多子是空穴. 当还原性气体与其接 触的时候, 如果发生电荷转移, 电子会进入CNTs中 与其中的空穴复合, 从而导致半导体型 CNTs 电导 下降, NTFET的特征曲线I-VG向负电压移动. 同理, 如果氧化性气体与半导体型CNTs接触, CNTs中电 子被气体夺走, CNTs的空穴数量增加, 其电导上升, NTFET的特征曲线I-VG向正电压移动. 从 2000 年 Dai 研究小组[30] 首次报道 CNTs 对环 境气体具有敏感性能到2009年年底, 已经发表了超 过4100篇以CNT传感器为主题的科研文献[31-39] . 图 2详细统计了每年发表的以CNT传感器为主题的科 研文献数量. 从图中我们可以发现, 每年有关这一 主题的文献仍在不断增多, 这说明CNT传感器仍是 当前的研究热点领域. 本综述在结合我们自己的大 量研究工作的基础上概述了CNT气体传感器在环 境监测、医学检测和国防军事等方面的发展现状, 并将其与当前已经商业化应用的传感器相对比, 同 时展望了碳纳米管气体传感器的研究前景. 1 CNT环境监测传感器 环境监测是环境保护的基础, 其中环境气体监 测又是其中最重要的环节. 从大的方面来说环境气 体监测包括全球气候变化监测和城市空气质量检 测等, 而从小的方面来说又可以包括工厂生产环境 气体监测、居民室内气体监测和办公环境气体监测 等. 目前为止, CNT 传感器对 NH3、NO、H2、CO、O2、 SO2和H2S等气体表现出了较高的检测灵敏度. 科研 人员为开发基于这些敏感性的新型CNT环境监测 气体传感器做了大量的研究工作. 1.1 CNT氨气(NH3)和二氧化氮(NO2)传感器 精确监测空气中NH3和NO2的浓度具有十分重 要的意义, 这两种化学气体对人体健康和环境保护 图1 碳纳米管(CNT)电阻式传感器(a)和场效应晶体管 (FET)传感器(b)结构示意图[27] Fig.1 Schematic of configurations of carbon nanotube (CNT) sensor based on resistor (a) and field effect transistor (FET) sensor (b)[27] Functionalized CNTs contacting the two electrodes and a highly doped silicon back gate and a load resistor for the FET 图2 2000-2009年历年发表的以碳纳米管传感器为主题 的文章数量 Fig.2 Number of CNT sensor publications per year between 2000 and 2009 Data were obtained from ISI Web of Knowledge. 3128 万方数据