近日，中國科學院安徽光機所孟鋼研究員團隊，聯(lián)合山西大學盧華東教授、安徽大學郭慶川教授團隊，在臭氧監(jiān)測儀器核心器件研發(fā)上取得關(guān)鍵性突破。科研人員以常規(guī)氧化銦錫（ITO）玻璃為基體，將飛秒激光刻蝕與等離子體刻蝕工藝相結(jié)合，成功造出一款基于圖形化ITO膜的微型臭氧（O?）傳感器，能精準、快速且穩(wěn)定地監(jiān)測到ppb級（十億分之一）的痕量臭氧。相關(guān)研究成果已正式發(fā)表在材料科學領(lǐng)域國際頂尖期刊《納米快報》（Nano Letters）上，充分展現(xiàn)了我國在微型氣體傳感器領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力。

行業(yè)痛點突出，痕量臭氧監(jiān)測盼技術(shù)突破

近地面臭氧污染是當前大氣監(jiān)測的重點，其精準防控一直以來都是環(huán)保與儀器領(lǐng)域關(guān)注的核心課題。其中，ppb級痕量臭氧的高效監(jiān)測，更是檢驗臭氧監(jiān)測儀器性能的關(guān)鍵，直接影響著大氣污染防控決策的科學性和準確性。

目前，傳統(tǒng)金屬氧化物半導體（MOS）臭氧傳感器雖已廣泛應用于各類環(huán)境監(jiān)測場景，但始終存在三大短板：一是需要外部加熱，這容易導致傳感器周邊的臭氧分子分解，進而影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性；二是對環(huán)境濕度特別敏感，很容易出現(xiàn)監(jiān)測偏差，適配不同環(huán)境的能力不足；三是晶圓級量產(chǎn)時，性能一致性較差，難以滿足室內(nèi)外規(guī)?；?、網(wǎng)格化監(jiān)測的實際工程應用需求。這些問題，一直阻礙著臭氧監(jiān)測儀器向小型化、精準化、規(guī)?；较虬l(fā)展。

創(chuàng)新破局，“自上而下”工藝造出高性能微型傳感器

針對這些行業(yè)難題，聯(lián)合科研團隊創(chuàng)新提出“自上而下”的自加熱ITO傳感器制造思路，打造出一套既保證性能、又便于量產(chǎn)的核心技術(shù)方案，成功解決了傳統(tǒng)傳感器的諸多不足。

據(jù)團隊介紹，這款傳感器的研發(fā)，始終圍繞“工藝簡易、性能優(yōu)良、體型小巧”的核心目標，全程采用市面上容易獲取的ITO玻璃作為基底，不需要進行復雜的材料改性預處理，大大降低了研發(fā)和量產(chǎn)成本。具體來說，科研人員通過飛秒激光刻蝕工藝，精準做出蛇形電極結(jié)構(gòu)，既保證了電極的良好導電性，又最大程度實現(xiàn)了傳感器的微型化；之后，采用氬氫（Ar/H?）等離子體刻蝕技術(shù)，將平滑的ITO膜表面處理得粗糙，從而有效提高臭氧分子的吸附能力和電荷交換效率，從核心結(jié)構(gòu)上提升了傳感器的響應性能；最后通過激光切片，制成了尺寸僅為1.4×2.1×0.3mm3的微型臭氧傳感器，成功實現(xiàn)了“高性能+微型化”的雙重突破，能很好地適配便攜式、嵌入式監(jiān)測設(shè)備的集成使用。

性能出眾，無需外加熱且監(jiān)測精度達國際先進水平

這款新型ITO臭氧傳感器，憑借獨特的自加熱設(shè)計，監(jiān)測性能得到了大幅提升。和傳統(tǒng)傳感器需要依賴外部加熱不同，它可以通過自加熱，將敏感區(qū)的局部溫度精準控制在180℃，有效避免了傳感器周邊臭氧分子的分解消耗，從根源上保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確。

經(jīng)過實際測試驗證，這款傳感器不僅對臭氧具有很強的選擇性，受環(huán)境濕度的干擾也比較小，能夠準確監(jiān)測20–1000ppb范圍內(nèi)的臭氧濃度，與國際“金標準”紫外吸收法分析儀的相關(guān)性達到93.6%，監(jiān)測精度達到國際先進水平。同時，它的制備工藝簡單易行，能夠輕松實現(xiàn)晶圓級批量生產(chǎn)，而且傳感器的性能一致性很好，完全能夠滿足室內(nèi)外臭氧大氣污染網(wǎng)格化精細監(jiān)測的實際需求。

成果價值顯著，助力儀器升級、賦能環(huán)保監(jiān)測

此次新型ITO基臭氧傳感器的成功研發(fā)，不僅填補了國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)空白，更為我國臭氧監(jiān)測儀器的升級換代提供了核心技術(shù)支持，對推動我國環(huán)境監(jiān)測儀器產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展有著重要意義。

這項成果落地應用后，將進一步降低ppb級臭氧監(jiān)測儀器的研發(fā)和生產(chǎn)成本，推動痕量臭氧監(jiān)測設(shè)備向小型化、便攜式、規(guī)模化方向發(fā)展，讓精準、高效的臭氧監(jiān)測覆蓋更多場景，為大氣污染防控、生態(tài)環(huán)境治理提供更有力的技術(shù)支持。據(jù)悉，刊載該成果的《納米快報》由American Chemical Society出版社主辦，主要聚焦材料科學及相關(guān)交叉學科，最新影響因子達9.6，是全 球材料科學領(lǐng)域極具影響力的Q1區(qū)期刊，能在該期刊發(fā)表的成果，均代表著該領(lǐng)域的前沿研究水平。