可见光照射下的半导体气敏特性以及机理研究

The gas sensor is one kind of important functional materials. The research works on gas sensing of n- type semiconductors under visible light irradiation are now very few, and their sensing sensitivities are not higher enough. This project aims to investigate the gas sensing properties and sensing mechanism of p-type rare earth- iron perovskite oxides (such as formaldehyde, CO, acetone, methanol, ethanol, gasoline gas, liquefied petroleum gas) under visible light irradiation at appropriate higher temperatures. We will measure the band-gap and its temperature dependence of p-type rare earth- iron perovskite nano- oxides. The enhancement of gas sensing sensitivity of rare earth- iron perovskite nano- oxides induced by the visible light irradiation, and its change with the light power and light wavelength will be analyzed. We will also clarify the doping effect of noble metal and divalent alkaline earth ions in rare earth- iron perovskite oxides on the enhancement of gas sensing response under visible light irradiation. We will reveal the sensing principle and mechanism of p-type semiconductor under visible light irradiations. Meanwhile，we will also investigate the gas sensing of n-type spinel ferrites under visible light irradiation. We will also develop the novel light irradiation gas sensors with high sensitivity to certain gases. This project is of significance for both scientific research and potential applications.

气敏材料是一种重要的功能材料。 目前室温可见光照射激发的n型半导体的气敏研究工作很少， 并且通常存在着灵敏度不够高的缺点。本项目将主要探索：在适当高的温度下， 可见光照射下的p-型纳米钙钛矿稀土铁基氧化物对各种还原性气体（甲醛、CO、丙酮、甲醇、乙醇、甲酸气体、汽油气体、液化石油气等）的气敏响应特性以及规律。 测定纳米钙钛矿稀土铁基氧化物的禁带宽度以及温度特性。 研究p-型钙钛矿稀土铁基氧化物中可见光照气敏灵敏度增强以及响应灵敏度随光照功率、光照波长变化等的规律。并进一步弄清贵金属以及二价碱土金属掺杂对钙钛矿稀土铁基氧化物的可见光照气敏的增强效应。 本项目创新揭示在较高温度时，可见光照射下p-型半导体材料的气敏规律与机制；同时研究n-型尖晶石铁基氧化物的可见光照气敏性。本项目还将发展出对某些气体具有高灵敏度的新型可见光照气敏器件。本项目不仅具有重要的科学研究意义，而且有重要应用前景。

目前室温可见光照射激发的n型半导体的气敏研究工作很少， 并且通常存在着灵敏度不够高的缺点。本项目发现在适当高的温度下，光子能量高于禁带宽度的可见光照可以大幅提高p型纳米钙钛矿稀土铁基氧化物以及n型尖晶石铁基氧化物的气敏响应值；其波长愈短或者频率越高，气敏响应值提高越显著； 当光子能量高于高于禁带宽度， 在几十毫瓦的功率范围， 其功率越高， 气敏响应值提高越大。还发现紫外以及可见光辐照还可降低材料器件的气敏最佳工作温度。本项目还阐明了p型钙钛矿稀土铁基氧化物以及n型尖晶石铁基氧化物光照增强气敏效应机理。紫外以及可见光照(光子能量高于禁带宽度)可显著增强适量贵金属及碱土金属、过渡金属掺杂的SmFeO3对超微量丙酮的气敏响应灵敏度、气敏选择性以及器件稳定性。本项目研发了几种可见光照增强的高灵敏气敏传感器，特别是研发了紫外以及可见光照增强的对极微量丙酮0.01-1ppm可高灵敏响应的传感器，可以用于初筛可能的糖尿病患者，有重要应用前景。 本项目发现p型钙钛矿稀土铁基氧化物以及n型尖晶石铁基氧化物的禁带宽度随温度的增高而下降。还发现p-p型钙钛矿稀土铁基氧化物异质结构具有比其单相结构更高的气敏响应值， 而且在适当高的温度下，紫外与可见光照（光子能量高于禁带宽度）可显著提高异质结的气敏灵敏度。 发现p-p型CaFe2O4/Ca2Fe2O5异质结构传感器对乙醇蒸气的气敏响应在紫外-可见光照射下也会得到极大的提高。对于CaFe2O4 /Ca2Fe2O5 p-p异质结构传感器，适当的相对湿度可提高乙醇的气敏效应， 这种湿度气敏增强效应主要源于Ca-Fe复合氧化物材料能够促进水的电离过程和水解反应的进行。 还发现PdO/单斜WO3 p-n异质结构材料是一种能够有效地利用紫外以及可见光检测CO的传感器材料。在本项目中，我们还利用第一性原理计算对异质结材料的气敏机制进行了探讨。