镍修饰铂栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管传感器用于氨气检测及其在生物医学中的应用

本研究创新性地采用镍（Ni）修饰铂（Pt）栅极结构，开发出高性能AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）氨气（NH3）传感器。该传感器在120oC工作温度下展现卓越性能：对50 ppm NH3响应度高达123.3%，响应时间仅~18秒，检测限（LOD）低至0.41 ppm。通过双金属协同效应有效提升选择性与灵敏度，为呼气氨检测（非侵入性疾病筛查）和环境污染监测提供了突破性解决方案。

　　

Highlight

双金属栅极设计通过镍铂协同效应实现电子特性调控，显著增强传感器对氨分子的识别能力。

Device structure and characterization

图1(a)展示了Ni/Pt栅HEMT传感器的精巧同心圆电极结构，这种设计无需传统台面隔离即可实现源漏电流的有效调控。SEM图像[图1(b)]显示栅金属层呈现典型岛状生长模式，XRD图谱[图1(c)]在40.5°和46.8°出现Pt(111)与Pt(200)的特征衍射峰，证实面心立方晶体结构。EDS元素映射[图1(d)]直观呈现Pt与Ni元素在栅区的均匀分布，XPS深度分析揭示关键电子现象：Pt⁰ 4f_7/2结合能向低能方向偏移0.25 eV，表明Ni原子向Pt转移电子，这种电子重构效应极大增强了栅极催化活性。

Electrical characteristics

器件的转移特性曲线展现优异性能：开关电流比高达3.61×10⁴，亚阈值摆幅（SS）低至102 mV/dec，阈值电压为-3.8 V。输出特性曲线显示明显饱和特性，证实二维电子气（2DEG）通道的良好形成。

Gas sensing performance

传感器在室温即显示氨气响应能力，在120^oC达到最佳性能：对1-50 ppm NH₃呈现浓度依赖性响应，50 ppm时响应高达123.3%。动态响应曲线显示超快响应时间（~18秒）和完整恢复特性。选择性实验证明其对氢气的交叉敏感性显著降低（NH₃/H₂响应比从1.45提升至3.0），展现卓越特异性。长期稳定性测试表明21天后性能仅衰减6.8%。

Sensing mechanism

镍修饰通过两种机制增强传感性能：1) 电子效应：Ni向Pt的电子转移增强氨分子吸附能 2) 催化效应：Ni提供额外活性位点促进NH₃分解反应。氨分子在Pt表面解离为NH_x物种并释放电子，这些电子进入Pt层导致肖特基势垒降低，进而调制二维电子气（2DEG）通道电导率。

Conclusion

镍修饰铂栅HEMT传感器成功实现低温高性能氨气检测，为呼气氨医学检测和环境监测提供了新一代解决方案。