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來源：貿(mào)澤電子 傳感器廣泛應(yīng)用于科學(xué)和日常生活的許多領(lǐng)域，從監(jiān)控化工廠的上下游過程到控制自動門、計算機和自動駕駛車輛，幾乎無處不在�？梢钥隙ǖ卣f，傳感器是日常生活不可或缺的一部分。為了提供更可靠的數(shù)據(jù)，需要提高傳感器的精度和準(zhǔn)確度。隨著工業(yè)4.0的全面實施，制造業(yè)許多領(lǐng)域正朝著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和大數(shù)據(jù)所支持的高度自動化邁進，進一步優(yōu)化傳感器精度和準(zhǔn)確度的需求也變得越來越重要。 由于傳感器應(yīng)用于眾多不同的領(lǐng)域，因此它們可以通過許多不同的機制來測量局部環(huán)境的變化。在任何情況下，設(shè)計中都包含一個主動傳感組件來檢測環(huán)境的變化。有些機制是通過暫時附著在傳感器表面的分子來檢測局部區(qū)域的分析物，這些分子可以是氣體分子（包括用于檢測濕度的水分子）、液體，也可以是某種特定的化學(xué)物質(zhì)。還有一些機制是依賴于傳感材料的物理變形，如應(yīng)力和應(yīng)變傳感器，其他機制則依賴于局部環(huán)境中的光或熱變化來激發(fā)可檢測的響應(yīng)。 在所有傳感機制中，有一個共同點是傳感機制會促使傳感材料發(fā)生能夠被檢測和記錄的變化。在許多情況下，傳感機制會促使傳感材料的電子特性發(fā)生變化。這種變化被傳感器讀取，并以更加可用和可讀的格式輸出。這些電子變化可以通過提高傳感材料的導(dǎo)電性（從而增加電壓）或提高材料的電阻率來實現(xiàn)。 納米材料成就更高效傳感器的優(yōu)勢所在 納米材料固有的超薄特性 納米材料的超薄特性，對于傳感應(yīng)用來說是一個很大的優(yōu)勢。近年來，使用二維和一維材料的傳感器已被證明具有高靈敏度。由于納米材料很薄，所以相對來說它們的表面積通常很大。因此，納米材料不僅能讓傳感器尺寸更小，而且與使用大塊材料相比，它們的感測表面積也要大得多。感測表面積越大，意味著表面上的“感測點”就越多。因為材料太薄，納米材料的表面會有一些瑕疵，特別是帶電孔洞，使得傳感器可以專門檢測某種類型的分子。這些分子可以是特定氣體，如氨氣、甲烷、水蒸氣，也可以是流動液體中的特定化學(xué)物質(zhì)。此外，設(shè)計師還可以使用一些表面來創(chuàng)建特定于一個分子的規(guī)定區(qū)域，以及針對不同分子的其它區(qū)域，使得基于納米材料的傳感器具有多傳感能力。 納米材料的彈性 除了薄之外，納米材料還有一個優(yōu)點就是彈性。不是所有的納米材料都有彈性，但是有些納米材料，比如石墨烯，可以嚴(yán)重變形而不斷裂，并且這種變形又能改變納米材料的導(dǎo)電性（已檢測到）。許多彈性納米材料也有很高的拉伸強度，只要看看石墨烯就知道了，它是已知單材料中拉伸強度最高的。因此，一些納米材料的彈性可以成為一種傳感機制，它能在拉伸后恢復(fù)到原始狀態(tài)并具有較長的使用壽命。在許多情況下，納米材料在壓力下也可以表現(xiàn)出類似的彈性，并提供可檢測的響應(yīng)。有許多壓電和壓阻納米材料在應(yīng)力下會變形，并引起電流變化，這一點很像大塊壓電和壓阻材料，但其規(guī)模要小得多，因此對小應(yīng)變變形的反應(yīng)更精確。 納米材料的導(dǎo)熱性 有些納米材料還具有導(dǎo)熱性，可以暴露在高熱量下，這是溫度傳感器的理想特性。采用這種納米材料的溫度傳感器，在材料熱阻率下降時即表明出現(xiàn)了局部溫升情況。 納米材料的光學(xué)特性 有些納米材料還有另一個優(yōu)點，那就是光學(xué)特性。這些納米材料可以吸收光，再結(jié)合高導(dǎo)電性和載流子遷移率，就可以作為高靈敏光電探測器。有時這些光可能會超出可見光范圍，擴展到電磁光譜的其他區(qū)域，比如紫外線輻射。 納米材料的導(dǎo)電性和載流子遷移率 我們前面討論了納米材料的不同傳感機制和特性如何引起納米材料和/或其他感測表面的導(dǎo)電性變化。不過，導(dǎo)電性和載流子遷移率（即電子和電洞等帶電粒子通過原子晶格的能力），才是許多納米材料最有優(yōu)勢的兩個特性。很多納米材料都有高導(dǎo)電或半導(dǎo)電電子特性，結(jié)合高載流子遷移率，通過對微小變化更積極的響應(yīng)，使得納米材料中的電氣變化更加敏感。 對于那些表現(xiàn)出半導(dǎo)體性質(zhì)的納米材料，它們可以用來檢測同時具有吸電子和供電子特性的分子。半導(dǎo)體納米材料可以采用使電洞從價帶耗盡從而增加納米材料電阻率的機制，或使電子遷移到導(dǎo)帶從而增加導(dǎo)電性的機制。這兩種機制都很容易通過改變施加在納米材料上的電壓來檢測。 納米材料混合成雜化材料的能力 我們在前面討論了納米材料單獨使用的情況，但是設(shè)計師還可以將許多納米材料混合制成雜化材料（如復(fù)合材料），并通過這種形式得到額外的好處。當(dāng)混合成雜化材料時，納米材料的分子將與其他材料的分子結(jié)合。分子間鍵合可以通過氫鍵合（如果納米材料含有極性分子團）、范德華力和π-π堆積來實現(xiàn)。這些分子間的相互作用使得高效的電荷轉(zhuǎn)移機制能夠在雜化材料中存在非定域電子的地方（特別是π電子網(wǎng)絡(luò)形成的地方）發(fā)生。與單獨使用相比，納米材料的混合使用提供了一種更高效的傳導(dǎo)機制，可以顯著提高靈敏度。 結(jié)論 并非所有的納米材料都適合傳感應(yīng)用，但與其他材料相比，那些合適的納米材料的確能顯著提高傳感器的感測能力。總的來說，從大表面積到高導(dǎo)熱率、導(dǎo)電率和電荷轉(zhuǎn)移能力，納米材料有很多優(yōu)勢可以幫助設(shè)計師實現(xiàn)比其他傳感材料更精確的傳感機制。 傳感器使用納米材料的領(lǐng)域有很多，包括但不限于應(yīng)力/應(yīng)變計、各種類型的生物傳感器、溫度和濕度傳感器、壓力傳感器、光學(xué)傳感器、電容傳感器、壓電傳感器和壓阻傳感器等等。 作者簡介 利亞姆·克里奇利（Liam Critchley）是一位作家、記者兼技術(shù)布道者。他專注于化學(xué)和納米技術(shù)，以及如何將分子級基本原理應(yīng)用于眾多不同的領(lǐng)域。利亞姆最出名的可能是他傳授知識的方法，他可以向科學(xué)家以及非科學(xué)家解釋非常復(fù)雜的科學(xué)問題。利亞姆目前已經(jīng)在化學(xué)和納米技術(shù)交叉的各個科學(xué)領(lǐng)域和行業(yè)發(fā)表了350多篇文章。 利亞姆目前擔(dān)任歐洲納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會（NIA）的高級科學(xué)通訊官，并且在過去幾年的時間里一直在為全球不同地區(qū)的公司、協(xié)會和媒體網(wǎng)站撰寫文章。在成為一名作家之前，利亞姆獲得了納米技術(shù)和化學(xué)工程兩個碩士學(xué)位。 除了寫作，利亞姆還是美國石墨烯協(xié)會（NGA）顧問委員會、全球納米技術(shù)世界網(wǎng)絡(luò)（NWN）、科學(xué)慈善機構(gòu)格拉姆西理事會（總部位于英國）的成員。利亞姆同時也是英國納米醫(yī)學(xué)協(xié)會（BSNM）和國際先進材料協(xié)會（IAAM）的成員，以及多家學(xué)術(shù)期刊的審稿人。 |
