太原理工大学桑胜波&韩丹团队在《ACS Sensors》发表最新研究成果，通过光刻与电感耦合等离子体刻蚀技术，在 GaN 外延片表面构建微米级圆孔阵列，再与 NbC 复合制备出 NbC/GaN-PL 纳米膜传感器。该传感器在室温下实现对 TMA 的超灵敏检测：检测限低至 200 ppb（0.2 ppm），对 200 ppm TMA 的响应值高达 84.14%，且响应 / 恢复时间仅 137 s/26 s，具备优异的选择性、重复性和长期稳定性（60 天响应变化＜3.49%）。
三甲胺（TMA）是一种具有刺鼻鱼腥味的挥发性有机化合物，不仅是空气污染物，还是海鲜新鲜度评价和疾病标志物（如三甲胺尿症、肾功能障碍）的关键指标。目前传统金属氧化物传感器存在工作温度高、选择性差、恢复慢等问题，亟需开发高性能、低功耗、高选择性的室温TMA传感器。
光刻微结构设计：通过光刻与ICP蚀刻技术在GaN表面制备微米级圆孔阵列，大幅提升比表面积与气体接触效率；
异质结协同增强：p型NbC与n型GaN形成p-n异质结与肖特基势垒，显著提升气体吸附与电荷传输效率；
智能识别系统：结合核主成分分析（KPCA）与多项式特征工程，构建MLP深度学习模型，实现混合气体高精度识别（准确率达98%）。
通过光刻工艺在GaN外延片上构建规则孔阵，随后通过插层与复合工艺，将NbC均匀负载于GaN表面，形成厚度约10 nm的均匀纳米薄膜
NbC/GaN-PL 对 TMA 的检测限低至 200 ppb（0.2 ppm），远优于对照组的 500 ppb；
对 200 ppm TMA 的响应值达 84.14%，是对照组（43.69%）的 1.9 倍，且响应与浓度呈强线性相关（R²=0.995）。
响应 / 恢复速度
对 100 ppm TMA 的响应时间仅 137 s，恢复时间 26 s，远超对照组（224 s/73 s）和纯 GaN（194 s/45 s）。
选择性与稳定性
对 TMA 的响应远高于 NH₃、CO、乙醇等 7 种干扰气体，响应误差＜5%；
室温下连续 60 天测试，对 100 ppm TMA 的响应变化＜3.49%；
不同湿度（10%-80% RH）下，响应值略有下降但稳定性良好，重复误差＜5%。
(a) NbC/GaN-PL传感器和(b) NbC/GaN-NPL传感器在室温下对不同浓度TMA的电阻曲线。(c) NbC/GaN-PL传感器和(d) NbC/GaN-NPL传感器对不同浓度TMA的响应曲线。(e) NbC/GaN-PL传感器和(f) NbC/GaN-NPL传感器对100 ppm TMA的响应和恢复时间。(g) NbC/GaN-PL传感器和NbC/GaN-NPL传感器的拟合响应曲线。(h) NbC/GaN-PL纳米薄膜传感器对200 ppm、10 ppm和0.5 ppm TMA的重复性；(i) NbC/GaN-PL传感器和NbC/GaN-NPL传感器对浓度为200 ppm的不同气体的选择性。
(a) 室温下相对湿度（RH）对NbC/GaN-PL纳米薄膜传感器电阻的影响。(b) 室温下不同RH下NbC/GaN-PL纳米薄膜传感器对不同浓度三甲基胺（TMA）的响应。(c) 室温下NbC/GaN-PL纳米薄膜传感器对100 ppm TMA的长期稳定性。(d−f) 在10%、55%和80%相对湿度下，NbC/GaN-PL纳米薄膜传感器对不同浓度TMA气体的重复性。
传感器的优异性能源于 p 型 NbC 与 n 型 GaN 形成的p-n 异质结和肖特基势垒的协同作用：
室温下，GaN 表面吸附氧气分子，捕获电子形成 O⁻（O₂(ads) + 2e⁻ → 2O⁻(ads)），构建电子耗尽层；
TMA 作为还原性气体，与 O⁻发生反应（2N (CH₃)₃ + 21O⁻ → N₂ + 6CO₂ + 9H₂O + 21e⁻），释放电子回传感器，导致电阻下降；
光刻后的 GaN 表面粗糙度提升，NbC 分散更均匀，形成更多异质结，增强电子转移效率和气体吸附位点；
能量带图变化：空气环境中，GaN（费米能级高）向 NbC 转移电子，形成稳定异质结；TMA 环境下，电子释放使耗尽层变薄，导电性提升。
低相对湿度下，NbC/GaN复合材料在空气和TMA气体中的能带图
机器人电子鼻：集成该传感器阵列与机器学习算法，可实时检测复杂环境中的 TMA、NH₃等气体，应用于智能巡检、环境监测；
海鲜新鲜度快速检测：室温下快速响应低浓度 TMA，可开发便携式检测设备，满足食品行业质控需求；
医疗诊断辅助：检测呼气中微量 TMA，为三甲基胺尿症、肾功能障碍等疾病提供无创筛查工具；
工业安全监测：超低保真度可及时预警 TMA 泄漏，避免爆炸与中毒风险。
桑胜波，教授，博导，国家优青基金获得者，国家重点研发计划项目首席科学家，十三五“国家重大科学仪器设备”重点专项专家组专家，山西省“青年三晋学者”特聘教授，山西省青年拔尖人才、山西省新兴产业领军人才。主要从事微纳传感器与测试系统、仿生技术与装备、微结构的原位加工技术与装备研究。在AM、NC、Informat、Small等期刊发表高水平论文180余篇，授权发明专利100余项（美国专利2项）。获山西省自然科学奖一等奖、山西省科学技术发明奖一等奖、山西省专利奖一等奖各1项。出版教材2部、主持山西省教学改革项目3项、获山西省教学成果奖特等奖1项，获批国家级一流专业1个、省级一流课程1门。
韩丹，教授，博导，主要研究方向为微纳传感器与智能识别系统、新型半导体材料，主持国家自然科学基金面上项目等省部级以上项目9项，发表SCI论文50余篇，授权专利4项。
Juxu Guang, Dan Han, Yilin Ping, Lianao Yan, Zhengyang Jia, Yuxuan Wang, Zhitao Cheng, Guojing Wang, Weidong Wang, Shengbo Sang, Fabrication of NbC/GaN Nanofilm Sensor via Photolithography and its Investigation as a Sensor for Trimethylamine Mixed Gas Detection Using Dual-Feature Extraction and Deep Learning, ACS Sensors
https://doi.org/10.1021/acssensors.5c02507
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