【儀表網 儀表研發】環境中痕量揮發性有機化合物(VOCs)攜帶了環境與健康相關的重要訊息，VOCs的識別檢測備受關注。盡管p型金屬氧化物半導體具有獨特的VOCs催化氧化活性，有望克服現有n型氧化物VOCs傳感器在識別特性方面的不足，推進VOCs傳感芯片的開發，然而，p型氧化物在空氣氛圍下固有的“空穴累積層”構型導致其本征靈敏度較低，限制了其應用。
 

　　p型Sc-Li共摻NiO傳感器對100ppm乙醇的氣敏響應特性：(a)靈敏度與重復性；(b)靈敏度同文獻結果對比；(c)長期穩定性。

 

　　缺陷調控是近年來傳感、催化領域常用的一種調控材料表面電子結構和催化活性的策略，然而，材料表面缺陷種類眾多，究竟哪種類型的缺陷決定p型氧化物傳感器對VOCs的電學響應尚無明確的答案。安徽光機所激光中心方曉東、孟鋼研究員團隊以p型CuCrO2為研究對象，揭示了表面不飽和氧空位缺陷為氣敏活性位點，通過合成過程或者后退火引入更多的氧空位缺陷，均可提升傳感器對VOCs的靈敏度，相關成果以《氧空位缺陷顯著增強p型銅鐵礦CuCrO2的氣敏特性》為題，發表于ACS Applied Materials & Interfaces雜志上。隨后，該團隊又提出采用Ar&H2等離子體處理技術，誘導p型氧化物表層形成富含氧空位的缺陷層，增強傳感器對VOCs的電學響應，相關成果以《p- CuAlO2表層氧空位缺陷的Ar&H2等離子體處理調控及VOCs敏感性能提升》為題，發表在Chemical Communications期刊上。
 

　　活性位點的穩定性是傳感器實際應用的一個重要指標。盡管通過真空退火或等離子體處理可誘導產生體/表面氧空位缺陷，然而，這些氧空位在高溫工作條件下很容易與環境中的氧復合而失去活性。為了穩定p型氧化物的氧空位活性位點，該團隊以常用的p型NiO為研究對象，嘗試了多種元素摻雜，篩選出Sc為一種新型高效的NiO增敏摻雜劑。在此基礎上，進一步探究了共摻缺陷調控，發現Sc-Li共摻可進一步誘導NiO晶格畸變，產生高濃度的氧空位缺陷，將NiO傳感器對100ppm丙酮的靈敏度提升2個數量級，檢測限低至10ppb。而且，Sc-Li共摻引入的氧空位缺陷具有更好的穩定性，傳感器在7個月后靈敏度僅衰減30%，初步滿足了實際應用對傳感器長期穩定性的要求。相關成果以《Sc摻雜NiO納米花傳感器的VOCs傳感特性》和《異價Sc3+、Li+共摻雜大幅提升p型NiO傳感器的性能》為題，分別發表在Journal of Alloys and Compounds和Sensors and Actuators B: Chemical上。
 

　　以上研究工作由國家自然科學基金和中科院合作等項目資助。