贵金属@碳复合纳米颗粒修饰对半导体电阻式气体传感器的性能调控及机制

This project will develop the growth of noble metal@C nanoparticles by laser ablation in organic solutions and the construction of micro/nanostructured arrays film-based resistance-type gas sensors by solution-dipping and colloidal template-transferring strategy, and study the effect of surface modification of sensors by noble metal@C nanoparticles on sensing performances and the mechanism. The main research contents of the project include: the growth process and microstructural control of the nanoparticles; the formation process, interfacial control and structural regulation of the arrays film on the device's substrate; the effect of surface modification of nanoparticles on the sensing performances such as selectivity, sensitivity and the operating temperature; the correlation between sensing performances and the composition, microstructures and characteristic sizes of arrays film and nanoparticles; and the optimization of the sensors' structural parameters and their applications on the detection of some toxic gases. The key point of the project is to indicate the intrinsic mechanism of the modification's influence on sensing performances via understanding the correlation between gas performances and structural parameters. The project will enhance the understanding of the sensing mechanism and provide basis on materials for the detection of the toxic gases in the environment.

本项目利用有机溶剂液相激光烧蚀法生长贵金属@碳复合纳米颗粒，并采用溶液浸渍-模板转移策略构筑半导体微纳结构阵列薄膜电阻式气体传感器件，研究复合纳米颗粒在传感器件表面的修饰对气敏性能的调控及内在机制，重点研究：复合纳米颗粒的生长过程及微结构控制方法，阵列薄膜在器件基底上原位形成的过程与界面相容性控制、及其结构参数调控，复合纳米颗粒表面修饰对传感器选择性、灵敏度、工作温度等性能的影响，传感器阵列薄膜及复合纳米颗粒的成分、微结构形态、特征尺寸等结构参数与气敏性能之间的关联，传感器结构参数的优化与针对某些有毒害气体检测的应用初探。项目关键需要通过对气敏性能结构参数关联性的分析，揭示复合纳米颗粒表面修饰对气敏性能调控的内在机制。本项目研究，将增强对气敏机理的认识，为环境有毒气体实际检测提供材料基础。

四年来，项目组围绕Au@C等纳米催化剂关联气敏机制以及高性能微纳气体传感器制备等目标，主要开展了如下研究：生长贵金属@碳等纳米催化剂材料，发展高性能微纳材料及其阵列等气敏薄膜并构筑气体传感器，通过微纳材料微结构和气体传感器衬底双重调控来优化传感器性能，研究贵金属基纳米催化剂对气体传感器性能的影响机制并优化气体传感器性能，研发针对性气体传感器原理样机并推广其应用。项目取得了一系列创新研究成果，比如：基于液相激光烧蚀法合成了Au@C和Ag@C等核/壳型复合纳米颗粒，通过改变激光烧蚀功率实现了内部Au、Ag等纳米颗粒的尺寸调控（10-20 nm），同时通过改变液相溶液的组分配比可实现外部超薄碳层的厚度从0.6 nm到 2 nm的可控调节；发现Au@C纳米颗粒修饰的In2O3敏感材料在室温下对硫化氢气体具有高灵敏性、快响应速率（几秒钟）、以及良好的再现性和长程稳定性；进一步，通过金属氧化物微纳材料及其阵列（如空心球阵列、碗状阵列等）构筑和结构调控、以及贵金属纳米催化剂修饰对气体传感器的影响等一系列研究，实现了对硫化氢、二氧化氮、三甲胺、氨气等典型气体的高灵敏快速检测，并研制了原理样机。在本项目的资助下，项目组共发表SCI 论文20篇，EI论文1篇，研发了传感样原理样机1台；申请专利20项，其中授权6项；举办了3次学术交流会议，受邀做了大会报告1次，参加了7次学术会议；博士后出站2人，培养博士3人，硕士4人。本项目的实施，不仅获得了一系列高性能的气体传感材料及器件，还揭示了某些气敏过程中的内在催化机制和相关机理；基于这些研究成果，我们还开发出针对硫化氢等恶臭气体的在线监测系统，并正在开展其工程示范应用研究。