基于弯曲核液晶异质结的高灵敏度氨气传感器研究

这篇研究创新性地利用弯曲核液晶(LC)材料与镥双酞菁(LuPc2)构建双层异质结气体传感器，通过改进滴铸法实现薄膜均匀沉积，在室温环境下对氨气(NH3)检测限低至2 ppm，响应时间仅30秒，为工业环境监测提供了高效解决方案。

　　

Abstract

研究团队利用液晶(LC)材料的成膜特性，将弯曲核液晶(A1、A2、B1和C系列)与镥双酞菁(LuPc₂)结合构建新型异质结传感器。通过真空辅助快速溶剂蒸发技术优化LC底层沉积，使薄膜表面光滑度显著提升。所有器件在室温(20°C)和湿度(45%)条件下对氨气表现出高灵敏度，其中C2基器件检测限达2 ppm，C3基器件响应时间(t₉₀)仅30秒，完全满足工业环境实时监测需求。

1 Introduction

液晶材料因其对外界刺激的快速响应特性，在气体传感领域备受关注。传统金属氧化物传感器需200°C以上高温工作，而基于有机半导体（如LuPc₂）的异质结器件通过界面电荷积累效应（SOMO能级调控），在室温下即可实现高效检测。氨气作为年产超2亿吨的重要工业化学品，其毒性阈值（欧盟规定25 ppm）亟需新型监测手段。

2 Results and Discussion

2.1 Devices' Preparation

采用3 mg/mL氯仿溶液在130°C基底温度下滴铸六种弯曲核LC材料，真空环境(360 Torr)消除咖啡环效应。AFM显示A1/LuPc₂薄膜粗糙度仅96 nm，而C2/LuPc₂形成均匀的204 nm层状结构。Marangoni应力调控使液滴表面张力梯度最小化，实现分子自组装优化。

2.2 Devices' Characterization

紫外光谱证实LC/LuPc₂异质结存在360 nm(π-π*跃迁)和669 nm(LuPc₂ Q带)特征吸收峰。拉曼光谱检测到579 cm^-1(酞菁呼吸振动)和1460 cm^-1(偶氮键伸缩)双组分信号，证明材料未发生热分解。

2.3 Electrical Characterization

电流-电压曲线显示非线性传导特性，阈值电压(V_Th)介于1-5 V。C2/LuPc₂在10V偏压下电流达2.8 mA，归因于界面处空穴-电子对的高效传输通道形成。

2.4 Gas Sensing

在90 ppm氨气暴露下，B1/LuPc₂响应值(RR)达-11.7%，而C2/LuPc₂检测限突破2 ppm。氟取代LC(B1)因分子偶极矩增强使灵敏度显著提升。Langmuir吸附模型解释响应饱和现象，C3器件在10-90 ppm范围内呈现线性响应(r=0.997)。

3 Conclusion

该研究首次将弯曲核LC成功应用于异质结气体传感器，真空辅助滴铸法与LuPc₂蒸镀工艺的结合，为开发柔性、低功耗传感设备开辟新途径。氟化LC的特殊分子排列为后续材料设计提供重要参考。

4 Experimental Section

使用UNIVEX 250蒸发仪在10^-6 mbar真空度下沉积50 nm LuPc₂层，自制气室(8 cm³)通过质量流量控制器精确调控550 mL/min气流，LabView系统实时记录电学信号。核磁共振(400 MHz)与原子力显微镜(nanoDMA模式)为材料表征关键手段。