随着智能终端的普及，可穿戴电子设备呈现出广阔的市场前景。传感器作为核心部件之一，将影响可穿戴设备的功能设计与未来发展。柔性可穿戴电子传感器具有轻薄便携、电学性能优异和集成度高等特点，成为最受关注的电学传感器之一。目前，柔性气体传感器不仅在监测大气污染物等方面具有普遍的应用，在医学、生物学、日常生活等方面也有不可替代的作用，开发柔性气体传感器成为目前亟待解决的问题。而敏感材料是柔性气体传感器的重要组成部分之一，对气体传感器的柔性、气敏响应性能和机械稳定性都具有重要的作用。传统的无机氧化物气体传感材料常需高温操作，且选择性较差，因此结合新型打印技术，研究室温下具有灵敏高选择性的柔性气体传感器具有较大的研究意义和应用前景（图1）。

　
图1.（a）近场纺丝打印装置设置示意图，插图展示了静电纺丝技术的过程；（b）纺丝材料在PI衬底上的光学成像；（c）纺丝材料扫描电镜成像；（d）和（e）纺丝材料原子力显微镜分析。

　　中国科学院半导体研究所的沈国震研究员团队和吉林大学的王丽丽副教授合作，创新性地采用新型近场直写技术，可直接在柔性基底上打印出高度有序的多晶氧化物微纳米线阵列，设计并制备出室温下对NH3具有高灵敏度、快速响应及高机械稳定的新型柔性气体传感器。这种近场直写技术保证了纤维阵列的高度有序性，从而极大地扩展了其在精密微电子和柔性电子器件等领域的应用。研究发现，与单晶锗酸锌纳米线相比，锗酸锌多晶微米线具有更高的灵敏度、更快的响应恢复速度以及更好的机械稳定性，主要归因于多晶微米线存在大量的晶界结构，是影响材料电子、催化和机械性能的关键参数。同时，缺陷的存在使催化反应具有极好的电子输运能力，并且晶界中缺陷的产生大量用于吸收氨气分子的高活性位点，导致灵敏度比单晶结构提高了大约6.5倍。此外，具有晶界结构的多晶微米线具有优异的机械性能，即使经过几十次的弯曲循环也没有发生明显的性能衰减。同时，在弯曲条件下，所制备的柔性气体传感器也能够对NH3具有很好的响应，表现出其在未来可穿戴电子中的应用潜力。研究团队还结合密度泛函理论（DFT）计算以及原子力显微镜（AFM）技术证实了上述气敏特性的物理与化学本质。

　　
图2.（a）多晶pZGO传感器原理图和测试电路示意图；（b）测试机理示意图；（c）纳米级多晶结构示意图；（d）多晶材料（红色）和单晶材料（蓝色）对200 ppm氨气相对电流随时间变化的响应图；（e）多晶材料（红色）和单晶材料（蓝色）对不同浓度氨气分子的灵敏度曲线图；（f）两种传感器对200 ppm不同气体的选择性；（g, h）两种材料吸附的氨气分子电荷密度差的顶视图。

　　这一研究通过理论与实验的相互验证对研制高性能室温气体传感器提供了一种新的思路。该工作发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者为王丽丽副教授，通讯作者是娄正副研究员和沈国震研究员。

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201804583