钯-金属氧化物界面氢的溢出行为研究及其在新型超低功耗气体传感器中的应用

High-power-consumption sensor is not good for the quick development of portable electronic devices. To safely detect flammable and explosive gas and use low-power consumption sensor, it is vital to develop room temperature gas sensors. Only limited gas can be detected at room temperature. Gas sensors with noble metal decorated metal oxide nanomaterials can detect hydrogen at room temperature. Related spillover effect and its competition with other gas change the sensor properties and make it possible to detect other gas at room temperature. In this project, based on our preliminary room-temperature gas sensor research work, we will study intensively the basic scientific issues on spillover effect of hydrogen atom at noble metal-metal oxide interface. We will study the influence of spillover effect on the sensor characteristics as other gas exists and put forward the theory of spillover effect. We vary the type of gas and its concentration, and explore the speed of hydrogen and its amount. The gas information unable to be recognized at room temperature will be transferred into hydrogen variation. The change rule of sensor characteristics will be summarized. In this project, we will set up a new method to detect unknown gas using known gas, realize room temperature detection and selective detection of gas that is uneasy to be recognized at low temperature, develop ultra-low-power-consumption gas sensors, and set up a method to realize high selectivity, quick response, high sensitivity gas sensors.

采用高能耗传感器不利于可移动设备的快速发展，为安全检测易燃易爆气体和低能耗使用传感器，开发室温的气体传感器意义重大。但是目前在室温下可检测的气体种类非常有限。修饰有贵金属催化剂的金属氧化物纳米材料基于溢出效应可以在室温下检测氢气，加入其它气体使传感器性能发生改变，利用此现象，其它气体的室温检测也成为可能。本项目将在前期室温传感器的工作基础上，对氢原子在贵金属-金属氧化物界面的溢出行为进行深入研究，研究其它气体存在与氢气的共作用机理及对氢溢出行为的影响，提出溢出效应的相关机制，改变气体浓度和种类，探究氢原子溢出快慢以及数量与此类气体浓度的关系，把原本无法在室温下检测的气体信号转化为传感器对氢气响应变化量，归纳和总结传感性能的变化规律，建立利用已知气体检测未知气体的新方法，实现某些气体的室温检测和选择性识别，发展基于此原理的超低功耗气体传感器并构建高选择性、快速响应、高灵敏的高性能传感器。

基于金属氧化物的半导体气体传感器由于其制备工艺简单，成本低，性能优良，在工业控制、环境监测和医疗健康等方面有着广泛的应用，得到了极大的关注和大力发展。为安全检测易燃易爆气体，希望降低传感器的工作温度，此外可移动设备的快速发展也迫切希望使用低能耗的传感器。因此开发可室温工作的气体传感器意义重大。然而在室温下可检测的气体种类非常有限。从半导体气体传感器的敏感机理上看，气敏材料的电阻变化依赖于发生于材料表面的化学反应所引起的电子转移过程。根据有效碰撞理论，在外界待测气体浓度一定的情况下，电子得失的快慢取决于反应面积和温度，因此具有较大比表面积的纳米材料较同类的块状体材料表现出更好的传感性能。本项目在研究钯-金属氧化物纳米材料的室温传感基础上，进一步研究了多组分气体对表面界面行为的作用机制，研制出几种高灵敏、高选择性、快速响应、低功耗的气体传感器，项目的主要研究结果包括：（1）针对钯-金属氧化物的氢气/CO的室温传感，提出了贵金属-金属氧化物界面氢原子溢出的相关机制和模型，该机制主要基于多组分气体分子对敏感材料表面界面的输运调控，并进一步在Bi2WO6的氨气/乙醇的室温传感中得到了验证。（2）基于上述机理和模型，建立了一种新的气体室温探测的方法，突破了某些气体难以室温监测的技术瓶颈。（3）所研制的Bi2WO6和Pd/WO3室温传感器，因不需使用加热器，具有极低的功耗。Bi2WO6传感器室温下对氨气的灵敏度达41，响应时间约25 s，且对氨气具有高的选择性，对氢气、乙醇、CO、丙酮等气体基本无响应，器件功耗约为35 nW。（4）所研制的Pd/W18O49传感器在80℃的较低工作温度下，对0.1 vol%氢气气体的灵敏度可达723。通过项目研究，我们提出了多组分气体的共同作用机制，这种机制主要基于表面界面的调控作用，从而发展了一种新原理的室温传感器。利用表面界面作用和多组分气体对表面界面的调控作用，可检测一些在室温下不易检测的气体，从而拓展室温传感器和低功耗传感器的使用范围。