基于纳米带场效应晶体管的ppb量级高灵敏SO2半导体传感器研究

SO2 is one of the most dangerous air pollutants that impair environment and human health.It is of great importance to measure the low concentration of SO2 in air accurately and fast for human health protection and air-quality monitoring.Semiconductor resistor sensors are one of the most common used gas sensors to detect toxic and flammable gases because of their distinguished merits such as low cost, long lasting, high sensitivity, and good reliability et al. However, only a little effort has been made to the SO2 semiconductor sensors. Most reported SO2 semiconductor sensors require the operating temperature at 200-550 C, demonstrate the low sensitivity with detection limit higher than 1 ppm. Here, in order to obtain the high-sensitivity room-temperature SO2 semiconductor sensors (detection limit lower than 100 ppb, resolution at 10 ppb, sensitivity higher than 40%),the SnO2/ZnO nanoribbon field-effect transistor SO2 sensors will be studied based on different configurations (solid dielectric-metal film electrode, air dielectric-metal film electrode, and solid dielectric-conductive nanoribbon electrode). The sensing mechanism will be studied to resolve the controversy of the response mechanism and to further optimize the performance.

SO2是大气污染物最重要的成分之一。准确、灵敏、廉价的SO2传感器对于环境监测和人类健康非常重要。电阻型半导体气体传感器具有廉价、寿命长等优点，是应用最广泛的气体探测器之一。但是，目前半导体SO2传感器工作温度高（200-550摄氏度）、探测下限差（通常高于1 ppm），制约了产业化发展。申请者拟针对这一国际挑战性问题，以获得探测下限低于100 ppb (实用标准)，分辨率10 ppb，灵敏度高于40%的室温SO2传感器为研究目标，通过构筑固体绝缘层-金属膜电极、空气绝缘层-金属膜电极，固体绝缘层-导电纳米带电极等构型，开展SnO2/ZnO纳米带场效应型SO2传感器研究。同时，研究传感器对SO2的微观响应机制，澄清当前SO2半导体传感器响应机理存在的争议，为进一步优化性能提供理论依据。

SO2是大气污染物最重要的成分之一，损害人体并导致酸雨，准确、灵敏、廉价的SO2传感器对于环境监测和人类健康非常重要。半导体气体传感器廉价、寿命长，是应用最广泛的传感器之一。但是，目前半导体SO2传感器工作温度高（200-500摄氏度）、探测下限差（高于1 ppm），制约了其应用规模。我们针对这一挑战，以我们前期研究的高性能有机微纳单晶场效应SO2传感器为基础，以获得室温探测下限低于100 ppb的SO2传感器为目标，开展了相关研究。.我们先选择了气体传感器中的经典半导体材料SnO2，生长了单晶纳米线，尝试了室温下单根SnO2纳米线空气绝缘层场效应器件的制备及其对SO2的敏感性研究，发现尽管这种器件对NO2、NO、H2S具有良好甄别能力并对NO2具有超高灵敏度，但对SO2的探测效果未能达到预期目的。ZnO纳米线器件性能类似，说明这种在高温条件下性能良好的敏感材料体系很难适用于室温高灵敏应用。我们将目光转向有机半导体，深入研究了CuPc单根纳米带空气绝缘层场效应器件（先前器件的探测下限为500ppb）和Ph5T2超薄微纳单晶场效应器件，希望能进一步降低探测下限，提高灵敏度。这些器件显示出了对多种气体和外界刺激的良好响应，如NO2、NO、可见光等，对同为硫化物的H2S同样显示了良好探测下限和灵敏度，但对SO2的响应效果依然不理想。在此基础上我们还制备了有机单晶异质节器件，对H2S气体的选择性显著增强，但未能实现对SO2响应的选择性增强。最终，我们选择了中心原子直径更大、电子结构更稳定的有机半导体ZnPc，成功实现了对最低50ppb浓度SO2的探测，灵敏度34%。器件同时也具有良好的气体种类识别能力，能利用电学参数响应差异区分NO2、SO2和H2S等气体，基本完成了预定目标。.我们筛选了合适的材料体系和器件结构制备高性能SO2传感器，发展了单一纳米器件实现气体种类甄别的数据处理和器件构筑方式，为新型室温高性能气体传感器的研究开辟了新的研究方向。