轻工学院在非接触湿度感应器领域研究取得新进展

近日，天津科技大学轻工科学与工程学院绿色与智能包装团队及其合作者，针对非接触湿度传感器领域所面临的问题和挑战进行了研究，相关论文以题为“Regulating Crystal Growth of Cs₂SnCl₆ Perovskite for Rapid Response and Durable Humidity-Triggered Non-contact Sensor”发表在工程技术与化学化工领域顶级学术期刊《Chemical Engineering Journal》（IF="15.1）。轻工学院教师李洁为通讯作者，2021级硕士研究生耿孟如、潘啸森为共同第一作者，天津科技大学为第一单位和通讯作者单位。

金属卤化物钙钛矿（MHP）因其有效的电荷分离特性而被证明具有湿度响应特性。与高温烧结法相比，室温溶液共沉积法因其工艺可控性和操作简单性而被设计并广泛用于制备钙钛矿。然而，制备的钙钛矿不可避免地含有杂质、空位和晶格缺陷，不仅阻碍了电荷转移，导致分解和氧化，而且在复合器件的制备过程中造成了不令人满意的色散和界面相互作用。因此，迫切需要一种易于实现的方法来优化钙钛矿晶体，同时优化其复合材料之间的界面相互作用，以制备具有优异性能的传感器。

该研究报告了调节Cs₂SnCl₆钙钛矿晶体生长，用于快速响应和持久的湿度触发非接触式传感器。巧妙地利用GO的还原系统来优化Cs₂SnCl₆（CSC）晶体，并将其与部分还原的GO（prGO）进行协调。在此过程中，CSC晶体会经历生长和缺陷修复，以获得更持久的晶体稳定性，而杂质则被消耗用于晶体生长。prGO表面的含氧基团与钙钛矿上剩余的空位配位组装，不仅增强了与钙钛矿颗粒的界面作用，而且在一定程度上实现了缺陷钝化。与传统的钙钛矿传感器相比，复合界面结构提供了更好的附着力和分散性，以及更多的电流路径，显著提高了传感器的灵敏度。值得注意的是，少量的prGO会与钙钛矿晶体的几个表面结合，而不是完全封装晶体。因此，这实现了界面协调和湿度传感性能之间的平衡。Cs₂SnCl₆/ prGO （CSCG）传感器在11-95% RH范围内具有低延迟（快速响应和恢复分别为0.8 s和1.9 s）、出色的灵敏度（6.5×10⁶）和长期稳定性（超过240天）的最佳性能。该器件可以在不同的非接触式传感应用中输出易于区分的信号，并且可以在组装成阵列后识别手势操作，这为未来的人机交互等应用提供了可能性。

图1. a CSCG的制备工艺和反应机理示意图。b CSCG传感器的数字图像。c 传统CSC湿度传感器（I）与CSCG非接触式湿度传感器（II）结构设计的比较图。d GO和e CSCG的SEM图，以及Sn、C、Cl和O的EDS元素图。

图2.CSCG传感器的湿度传感性能。a 在 1 Hz - 200 KHz 下的阻抗-RH 曲线。 b 在11%-95% RH之间的响应和恢复时间。c CSCG与其他工作中湿度敏感传感器的响应和恢复时间比较。d在11%-95% RH之间的响应周期和恢复周期曲线。e 不同RH下的动态响应和恢复曲线。f CSCG的湿度滞后。g CSCG在不同RH下的阻抗超过240天，表现出惊人的耐久性。h 暴露240天后CSCG在 11% - 95% RH 之间的响应和恢复周期的稳定曲线。

图3.CSCG传感器的传感机理。a CSCG在1 Hz-100 kHz范围内不同RH下的复阻抗图。b 不同RH下CSCG的电容-频率曲线。c 分别对应于CSCG在低、中、高湿度下的三种等效电路。d CSCG在低、中、高湿度下的湿度感知机理。

图4.CSCG的非接触式湿度传感应用。a单词识别，b呼吸监测，c水果新鲜度检测，d指间距检测，e手指湿度检测，f区分不同手指。

图5.湿度触发非接触式传感阵列，用于手势识别应用。a 基于CSCG的传感阵列的数字图像。bI到bIV的四种不同手势示意图，对应cI到cIV四种不同的3D信号映射。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150222

编辑：陈春羽 张铄今