基于复合氧化物纳米结构的高灵敏臭氧气体传感器的研究

The accelerated process of urbanization and increased car ownership in China aggravated the atmospheric pollution. The contamination caused by haze and secondary pollution of photochemical smog etc. is worsening. Ozone (O3) is not only the product of photochemical pollution, but also the strong oxidant which would induce haze. So the monitoring of atmospheric O3 concentrations in real-time is essential. Current detection of O3 mainly relies on analytical chemistry instruments, which is difficult to meet the requirements of real-time, multi-node and network. Aiming at the detection of low concentration atmospheric O3, the microstructured low-power consumption O3 gas sensors based on composited oxide semiconductors would be constructed. In order to improve sensitivity, selectivity, moisture resistance and reduced power consumption, two different work function semiconductor In2O3, and WO3 will be used to build junction sensitive material system with high surface area and achieve high response to low concentration O3. The surface modification and doping techniques will be used to enhance selectivity and moisture resistance. Microstructured planar sensor chips with uniform thermal field will be designed to realize low power consumption and fast response. Based on the research of O3 adsorption on sensitive material surface and the reaction behavior, and the transport characteristic of carriers in the sensitive body, the sensing mechanism will be deeply explained, and the design strategy of sensitive materials will be established. This project will develop high performance O3 sensors and deepen the understanding of sensing mechanism.

我国城市化进程的加速和汽车保有量的持续增长加剧了大气环境污染，一次污染物引发的灰霾和光化学烟雾等二次污染日趋严重，O3既是光化学污染的产物，也是诱发灰霾的强氧化剂，对大气中O3浓度的实时准确监测至关重要。目前O3检测主要依靠分析化学仪器，难以满足实时、多节点和网络化的要求。本项目面向大气中低浓度O3的检测，构建基于复合氧化物半导体微结构低功耗O3气体传感器。为了提升灵敏度、选择性、抗湿性以及降低功耗，利用功函数不同的两种半导体In2O3和WO3构筑高比表面积结型敏感材料体系，实现其对低浓度O3的高响应；利用表面修饰和掺杂改性技术提高选择性和抗湿性；设计热场均匀的微型平面传感器芯片，实现其低功耗和快速响应。通过对O3在敏感材料表面上吸附和反应行为及载流子在敏感体中传输特性的研究，明晰感知机理，确立敏感材料的设计策略。本项目的实施不仅能够开发出高性能O3传感器，而且能够深化对传感器机理的理解。

本项目面向大气环境二次污染物O3的检测用气体传感器开展研究工作，构筑低维、异质、复合等微纳结构的半导体气体传感器实现对其快速、准确、低浓度检测。研究异质核壳纳米粒子、纳米纤维的气体传感材料以及表面修饰技术提高传感器的灵敏度、选择性和抗湿性；采用商用陶瓷基半导体气体传感元件结构，实现了传感器在低功耗条件下构筑；研究微纳结构气体半导体传感器的敏感机制，为高性能的气敏材料的设计提供理论指导。研究工作主要包括了四个方面：(1) 高灵敏的O3传感材料的构筑与特性研究：采用功函数不同的氧化物半导体材料，如：SnO2-In2O3, Co3O4-ZnO, NiO-ZnO等，构筑复合结型的低维敏感材料体系，通过两组分和形貌调控，实现对低浓度的O3的检测；(2) O3气体传感器的表面修饰技术研究：通过贵金属担载修饰，如：Pt-In2O3、核壳结构的形貌设计、SnO2@TiO2结构构筑、多元金属氧化物MCo2O4 (M = Mn、Ni、Zn)以及半导体的晶面和禁带宽度调控、刚玉和立方型In2O3禁带宽度调控等方法，优化了复合材料体系在热激发下表现出的传感特性；(3) 低功耗的传感器结构设计研究：采用旁热式陶瓷气体传感器结构， 实现传感器在较低功耗下稳定工作；(4) 复合结型半导体气敏材料的表(界)面的传感机制研究：以功函数作为材料的特性参数，研究不同功函数的半导体构成的界面特点以及与敏感体的传感特性。通过以上内容的研究，发现了：低维氧化物半导体、复合结构氧化物半导体、多元氧化物半导体、高能晶面的暴露等结构是提高气体传感特性的有效策略。在项目完成过程中，共发表SCI检索论文37篇；授权发明专利7项；培养6名博士2名硕士气体传感器领域的专门人才；与地方的企业开展合作研究，转化有关技术。获得的O3传感器的性能指标达到:功耗≤150mW，对 0.5 ppm的O3浓度（75% RH）的响应≥10，响应时间≤18 s，主要性能指标达到计划书要求。该项目的研究的气体传感器可以应用在化境气体检测、家居环境检测等领域。