一种基于关联二维电子气的广谱气体传感器设计

广谱气体传感器在化学合成、地质科学和行星探测等前沿领域具有广泛的应用需求，开发能够在复杂环境（例如多种混合气体或极端温度）中精准识别气体成分的广谱气体传感器对于这些技术领域至关重要。目前的主要挑战是寻找既具有高化学稳定性又具备宽工作温度范围的材料。通过非化学方法增强信号的新材料，有望为广谱气体检测开辟新的传感路径。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学技术大学国家同步辐射实验室和荷兰特温特大学MESA+纳米技术研究所等机构的研究人员联合开发出一种基于LaFeO₃掺杂LaAlO₃/SrTiO₃界面关联二维电子气（C-2DEG）的广谱气体传感器。这种独特的广谱C-2DEG气体传感器不受混合气体的影响，并且能保持较宽的工作温度范围，其测量依赖于简单的电阻变化读数。这项研究为广谱气体检测提供了一种低成本且高效的解决方案。相关研究成果以“A broad-spectrum gas sensor based on correlated two-dimensional electron gas”为题发表在Nature Communications期刊上。

图1 本研究提出的广谱C-2DEG气体传感器

高迁移率二维电子气（2DEG）是在SrTiO₃和LaAlO₃这两种绝缘体界面上发现的，这一发现极大地拓宽了关联氧化物电子学的研究领域，并催生了革命性的技术应用。C-2DEG的电子态可以通过外场调控轻松实现，该机制显示了其推进氧化物电子器件革新的巨大潜力。

在这项研究工作中，研究人员探讨了在LaAlO₃/SrTiO₃界面掺杂LaFeO₃引起的金属-绝缘体非易失性转变，利用2DEG的外场调控实现了界面载流子的非易失性耗尽。较低的界面载流子浓度会在相同分压下导致对相同气体产生更大的电阻响应，通过在LaAlO₃/SrTiO₃界面掺杂LaFeO₃可以显著降低界面载流子浓度，从而提高了其对气体的敏感性。

图2 广谱C-2DEG气体传感器的机理

广谱C-2DEG气体传感器在复杂混合气体环境中的灵敏度是其实际应用的关键特性之一。为了评估其性能，研究人员在综合物性测量系统（PPMS）腔内混合了4.5 Torr多组分气体（95% CO₂ + 3% N₂ + 2% CO）以模拟火星大气。结果表明，即使在含有多种气体的低压环境中，该广谱C-2DEG气体传感器仍然能够灵敏识别不同的气体成分，并且气体检测分压低至90 mTorr。

图3 广谱C-2DEG气体传感器的外场调控电阻响应

为了进一步定量确定广谱C-2DEG气体传感器的检测限，研究人员分析了气体升华或沸腾时电导斜率的瞬时变化与气体分压的关系。拟合结果表明，CO₂和C₂H₄的检测限分别为0.025 Torr和0.40 Torr，在标准大气压环境下分别相当于33 ppm和530 ppm，这一结果显著优于目前已有报道的金属氧化物半导体（MOS）气体传感器的检测限。

此外，研究人员发现，低温并非广谱C-2DEG气体传感器工作的必要条件，只要温度低于气体的凝固点，通过外场调控即可激活传感器，这意味着广谱C-2DEG气体传感器能够在极其宽的温度范围内工作。

图4 广谱C-2DEG气体传感器的性能

总而言之，基于LaFeO₃掺杂LaAlO₃/SrTiO₃界面的广谱C-2DEG气体传感器具有优异的广谱气体敏感性，能够精确测量气体分压，并有效检测包括惰性气体（如N₂）、稀有气体（如Ar）、极性气体（如CH₄）以及非极性气体在内的多种气体，其检测限可达mTorr级别甚至更低。特别是在标准大气压下，CO₂的检测限值相当于33 ppm，与目前已有报道的最佳MOS气体传感器性能相媲美。此外，这种由外场调控引发的非易失性金属-绝缘体转变极其迅速，甚至可达到超快速度，这对器件的实际应用具有重要意义。未来，研究人员将继续探索以进一步提升广谱C-2DEG气体传感器的响应速度，以期实现更高的检测效率和更广泛的应用前景。

审核编辑：刘清