氧化物半导体超细纳米线的表面势垒调控及高性能气敏传感器研究

研究直径在20纳米以下的SnO2、ZnO等氧化物超细纳米线对H2S、CO、CH4、H2、NO、NO2、NH3等微量气体的气敏特性；研究表面势垒层对超细纳米线输运特性的影响，研究气体在超细纳米线表面的吸附行为及其对表面势垒层的影响，探索在耗尽状态下超细纳米线气敏检测的微观过程与物理机制。通过光照调控氧吸附量、控温烧结调控表面结构缺陷、以及表面复合金属或半导体纳米颗粒产生局域势垒等方法，对超细纳米线的表面势垒层进行调控；在表面势垒层处于不同的组成与状态时，研究检测气体在超细纳米线表面的吸附特性、以及超细纳米线对气体吸附的电学响应特性。将氧吸附、结构缺陷、局域势垒等因素有效结合并协同作用，发展电学响应灵敏、吸附活性高的超细纳米线高性能气敏传感器。

半导体超细纳米线的表面势垒对其光电输运和气体传感特性具有重要的影响，研究其物理机制和动态过程是发展高性能传感器的重要基础。在本项目中，我们按照预定研究任务具体开展了以下研究工作：1）利用水热法、气相沉积法、原子层沉积等方法制备了直径20纳米以下的超细ZnO纳米线；利用纳米压印、电子束刻蚀等方法制备了纳米结构电极；利用电场组装、电子束刻蚀等方法制备了超细纳米线光电、气体传感器件。2）测试了ZnO等氧化物超细纳米线的光电输运特性，提出了表面势垒影响和控制光生载流子的分离和捕获的物理机制；基于瞬态光电压方法建立了表面态和表面势垒的动态光电过程的表征手段；观测到光照下表面吸附氧的多步脱附过程，并建立了表面态调控下表面气体吸附和脱附的动态过程模型。3）发展了光照、表面颗粒修饰等表面势垒的调控手段，显著提高了气敏传感特性；在单根SnO2纳米线器件中获得了超高灵敏度气体检测，室温下对100 ppm的H2S的检测灵敏度达到1000倍以上；通过与纳米摩擦发电机结合，制备了自驱动光电、气体传感器，使器件实现了在无需外部电源情况下的工作。.通过以上研究，在ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等国际著名刊物发表影响因子10.0以上的SCI论文5篇；另有正在整理投递中的论文3篇。获国家发明专利1项，已公开国家发明专利1项；省部级科技进步奖2项。培养博士研究生2人（在读），培养硕士研究生21人（毕业12人，在读9人）。