华东理工大学轩福贞/张国柱团队，气体传感器Nat. Commun.

纳米人

2026-04-13

第一作者：Rui Gao

通讯作者：Guozhu Zhang (张国柱), Fu-Zhen Xuan (轩福贞)

通讯单位：华东理工大学 

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69499-6

研究背景

稳固的异质界面是实现电子器件可靠制造的关键基础。对于气体分子传感器而言，敏感层与基底之间的强界面粘附可有效抑制分层与剥离，从而保障环境化学信息的长期稳定获取。然而，构建耐久异质界面仍具挑战：一方面，晶格失配易引发局部应力集中；另一方面，气体（如氢气H₂）与材料的相互作用会进一步加剧界面应力演化。鉴于氢气在能源、化工和交通等领域的广泛应用，开发兼具高灵敏度与高稳定性的氢气传感器已成为亟待突破的关键问题。

关键问题

金属钯（Pd）因其对氢气具有优异的选择性与可逆吸附特性，被广泛应用于氢气传感领域。然而，现有Pd基氢气传感器在器件构建与长期服役过程中仍面临关键瓶颈：一方面，Pd敏感层与基底之间存在固有晶格失配，易在界面处诱发局部应力集中；另一方面，在长期循环工作条件下，Pd在氢气吸收/脱附过程中经历Pd与PdHx之间的可逆相变，导致晶格持续发生膨胀与收缩。这一动态相变过程会引发一系列微观结构退化行为，包括应力累积、位错生成及晶界脆化，进而导致界面分层甚至结构断裂，严重制约器件的长期稳定性与可靠运行。

新思路

针对这一关键问题，华东理工大学轩福贞教授、张国柱副教授团队创新性地提出了一种界面植入二硫醇自组装单分子层（SAM）的应力去耦策略，构建了垂直堆叠的悬浮结构Pd基氢气传感器。在该设计中，SAM层引入于Pd敏感层与Au电极之间，兼具高效电子传输与柔性力学缓冲双重功能，可有效缓解晶格失配引发的界面应力并削弱基底钳制效应，从而提升Pd层的力学稳定性并促进氢气吸收动力学。

技术细节

1、界面植入SAM层的悬浮结构钯基氢气传感器的制造和性能评估

首先，研究团队设计并制备了一种垂直架构的悬浮式氢气传感器，通过引入脂肪族二硫醇自组装单分子层（1,10-癸二硫醇，C10）构建Pd–SAM–Au异质界面。结构表征表明，SAM层在Au电极与Pd敏感层之间形成致密、连续的界面耦合。电学测试显示，尽管SAM引入使垂直电导略有降低，但整体仍保持良好的电荷传输能力。在室温1000 ppm 氢气测试中，集成SAM的悬浮结构相较于传统平面结构及无SAM器件表现出显著增强的响应性能。进一步比较不同SAM分子发现，柔性脂肪族二硫醇（链长越长性能越优）可有效提升灵敏度及响应/恢复特性；而具有刚性π共轭骨架的芳香族二硫醇则易引发枝晶生长、破坏界面均匀性，从而对器件性能产生不利影响。

图2. 界面植入SAM层的悬浮结构钯基氢气传感器的制造和性能评估

2、悬浮结构钯基传感器件中的电子传输与氢气传感机理

然后，研究团队系统研究了Pd–SAM–Au异质界面的电子传输与氢吸附动力学。紫外光电子能谱（UPS）与第一性原理计算表明，C10分子通过S–金属键在界面形成强化学吸附，诱导界面偶极与能级重构，在费米能级附近引入新态，从而降低电荷注入势垒并提升电子透射能力。进一步模拟发现，机械压缩应变可增强S-p态与金属d轨道的杂化，促进应力条件下的电荷传输；I–V测试亦证实该界面在宽电压范围内呈稳定欧姆导通。在氢吸附动力学方面，基于H/Pd原子比的实时演化分析表明，引入SAM后氢吸收速率常数（k'_ab=　4.6×10^－４ s^－１）较无SAM器件提升约一个数量级，源于分子层的柔性有效减弱了基底钳制效应。总体而言，二硫醇SAM在保持界面导电性的同时，通过电子结构调控与应力缓冲的协同作用，显著提升了传感器的灵敏度与响应速度。

图3.悬浮结构钯基氢气传感器的界面电子传输机制与氢吸收动力学

3、悬浮结构钯基传感器件的耐久性机制

随后，为揭示Pd–Au异质界面的力学行为及SAM层的增韧机制，研究团队开展了密度泛函理论（DFT）计算。结果表明，引入C10 SAM后，Pd–SAM–Au界面的结合能显著降低，热力学稳定性提升；应力–应变分析显示，直接Pd–Au界面在约17%应变下发生脆性断裂，而Pd–SAM–Au界面经屈服平台后断裂应变提升至约26%，其增韧源于SAM分子由锯齿构型向拉直转变，有效延缓裂纹扩展并实现由脆性向韧性失效的转变。循环可靠性测试进一步验证了该机制：集成SAM的器件在1000 ppm 氢气下50次循环误差低于5%，而无SAM器件数次循环后信号衰减超过50%；在4 vol% 氢气下，部分无SAM器件首次即失效，而集成SAM器件在1 vol%条件下50次循环仍保持稳定。上述结果表明，二硫醇SAM层通过缓冲界面应力并削弱基底夹持效应，显著提升器件长期稳定性，同时促进氢吸附/脱附动力学，增强灵敏度与响应速度。

4、悬浮结构钯基氢气传感器的性能评估

紧接着，研究团队对悬浮结构氢气传感器的综合性能进行了系统评估。结果表明，该器件可在室温下实现从1 ppm至4 vol%的宽动态范围检测，兼具痕量泄漏监测能力。在16%–31%相对湿度范围内灵敏度略有下降，随后趋于稳定，说明悬浮结构有效削弱了湿度干扰，且水分子在Pd表面主要表现为弱物理吸附。交叉敏感性测试进一步验证了其对氢气的高选择性（优于NO₂和H₂S）。长期稳定性测试显示，器件在连续运行超过三个月后性能无明显衰减，表明SAM界面能够有效缓解界面应力并显著延长器件寿命。此外，在0.005 V超低偏压下，其功耗仅约5 μW，具备面向无线传感器网络的大规模集成潜力。综合对比已有研究，所提出的悬浮结构氢气传感器在工作温度、检测限、功耗及稳定性等关键指标上展现出突出的综合优势。

5、晶圆级悬浮结构Pd基氢气传感器的制造与氢气泄漏检测系统的开发

最后，研究团队实现了基于C10 SAM的悬浮结构氢气传感器的4英寸晶圆级制备，器件表现出优异的良率与一致性（25个随机芯片基线电阻波动<4.2 Ω，对1000 ppm 氢气响应偏差约0.56%），且封装前后性能基本一致，兼容标准MEMS工艺。针对氢气检测中毫伏级微弱信号，构建了集成惠斯通电桥与运算放大器的检测模块，实现信号幅值提升约三个数量级，在1–1000 ppm范围内均表现出稳定响应，并可实现1 ppm的可靠检测。在系统层面，进一步开发了集成温湿度传感器与微型泵的手持式监测平台，实现了氢气瓶柜环境中的实时浓度反馈与泄漏报警。与Honeywell商用探测器对比，本系统在1000 ppm 氢气下表现出相当的响应性能且响应速度更快，验证了其在低浓度、爆炸前阈值氢气监测中的高精度、快速性与应用可靠性。

图6. 悬浮结构钯基氢气传感器的晶圆级制造与测试平台集成

总结展望

本文提出了一种通过界面植入二硫醇自组装单分子层（SAM）构建的悬浮结构钯基氢气传感器。不同于传统范德华界面，该器件利用强硫–金属配位键与柔性碳链协同作用，实现了界面应力的有效去耦，显著提升了界面韧性与机械可靠性，同时削弱基底机械夹持效应并加速氢吸收动力学。得益于此，器件在高达4 vol%氢气浓度下仍表现出稳定、可循环的响应特性，并在室温下实现了显著增强的灵敏度（检测限低至1 ppm）。此外，本研究进一步验证了晶圆级制备的可行性，获得了良好的器件均一性与集成潜力，并成功将该传感器集成于便携式检测系统，实现实际场景下的实时氢气泄漏监测。总体而言，所提出的SAM界面应力工程策略不仅深化了对界面力学调控机制的理解，也为突破Pd基氢气传感器在高浓度与长期运行条件下的稳定性瓶颈提供了有效路径，为高性能、可规模化的气体传感器设计提供了通用思路。

参考文献

Gao, R., Zhang, G., Wang, X. et al. Interfacial stress decoupling enables stable palladium-based hydrogen sensing. Nat. Commun. 17, 2665 (2026).

https://www.nature.com/articles/s41467-026-69499-6