APL | 南京大学声学研究所光声技术与科学研究室:基于二维声拓扑材料的稀有气体传感-定向复合功能器件研究

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氦气是一种全球稀缺的惰性气体，对经济和高科技发展至关重要，在航空航天、半导体制造、生物医学等各个领域都受到高度重视。氦气泄漏会降低设备的稳定性和可靠性，并造成稀缺气体资源的浪费。为了在氦气泄漏的早期阶段进行检测，需要使用高性能的氦气传感器来保证安全和效率。传统气体传感器的工作原理是依靠待测气体与传感器表面敏感层之间的相互作用，然而，由于氦气是一种化学稳定性极佳的惰性气体，与敏感层的反应微弱。因此，基于气体吸附的传统气体传感器无法用于氦气检测，而氦质谱法、拉曼光谱法和气相色谱法所需系统成本高、体积大、操作复杂。因此以高效、便捷和低成本的方式检测氦气仍然是一项挑战。

在本研究中，我们基于高阶声学拓扑材料构研制了一种氦气传感器。采用二维Kagome晶格结构，获得零维拓扑角态。当氦气浓度变化时，角态频率随之偏移。通过测量频率偏移即可检测氦气浓度。值得注意的是，角态的相对频率偏移不受工作环境（如温度和湿度）影响，只与氦气浓度线性相关。因此该传感器在复杂工况下表现出卓越的稳定性，无需校准。同时，由于传感器无需气体吸附敏感层，因此，不受惰性气体化学稳定性的制约并且可以在极低温环境下使用。同时，由于在Kagome晶格结构中，三个顶点可同时形成角态，通过三个角态响应时间的不同还可以进一步定位泄漏点。该工作不仅为高效、便捷地检测惰性气体提供了方案，也为声学拓扑材料的实用化研究开辟了新路径。

本研究由南京大学声学研究所光声技术与科学研究室完成。团队以张淑仪院士为学术带头人，由杨跃涛教授，徐晓东教授，程利平副教授和范理副教授组成，长期致力于光声光热，无损检测，声学人工材料、声场调控，声学传感器与传动器等多方向的研究工作。

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