仿珊瑚结构半导体纳米材料的组装及其气敏特性研究

通过将纳米材料组装成特定结构，解决纳米材料在应用中难以有效发挥独特性能这一难题，一直是纳米材料研究领域的重要课题。纳米颗粒因其尺寸结构，在纳米尺寸效应和表面界面效应方面有独特优势，然而其应用通常是铺展成膜，极易堆积团聚，使深层颗粒难以起效，严重阻碍纳米颗粒走向应用。针对此关键问题，我们以气敏性SnO2半导体纳米颗粒这一依赖表面接触反应起效的代表性材料为研究对象，从结构仿生与纳米材料组装的基本原理和方法出发，原创性地提出将纳米颗粒组装成仿珊瑚结构，使颗粒"站立"起来，避免堆积团聚，实现各个颗粒的有效利用。本项目紧密融合仿生学和纳米材料学，探索新型仿生结构纳米材料的组装原理和方法，揭示仿生结构对纳米材料应用性能的影响机制，预期成果将为解决纳米颗粒易堆积团聚导致深层颗粒利用率低这一普遍性问题开创出一条新路，为推动纳米颗粒在化学生物传感器、催化剂、太阳能电池等方面的应用奠定理论基础和提供方法支持。

纳米颗粒独特的吸附性能和表面反应活性对于发展多种纳米电子器件具有重要价值，然而因其小尺寸结构，纳米颗粒易堆积团聚，严重阻碍深层颗粒与外界的接触与反应，从而大大降低纳米颗粒的有效利用率。本项目以纳米颗粒气体传感器为研究对象，通过对仿生结构的思考，设计了一种仿珊瑚结构的SnO2半导体纳米颗粒组装体，基于此构筑传感器对多种挥发性和有毒有害气体进行检测，发现该新颖仿生结构可以有效提高纳米颗粒的利用率，大幅提高传感器的敏感性能。通过对敏感反应的动力学过程研究发现，其吸脱附速率比传统纳米结构明显提高，利于传感器的快速响应和恢复。此外，进一步对其进行表面修饰，还可以针对性地提高传感器的灵敏度、选择性、长期稳定性。本项目的研究结果对于传统纳米结构材料在应用过程中起效率低的普遍性问题提供了一种新的解决方法，并极有希望拓展到其它相关的纳米材料研究领域。