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p型氧化物VOCs传感器的缺陷调控增敏研究取得系列进展
文章来源: 常鋆青 发布时间: 2020-09-23

  环境中痕量挥发性有机化合物(VOCs)携带了环境与健康相关的重要讯息,VOCs的识别检测备受关注。尽管p型金属氧化物半导体具有独特的VOCs催化氧化活性,有望克服现有n型氧化物VOCs传感器在识别特性方面的不足,推进VOCs传感芯片的开发,然而,p型氧化物在空气氛围下固有的“空穴累积层”构型导致其本征灵敏度较低,限制了其应用。 

  缺陷调控是近年来传感、催化领域常用的一种调控材料表面电子结构和催化活性的策略,然而,材料表面缺陷种类众多,究竟哪种类型的缺陷决定p型氧化物传感器对VOCs的电学响应尚无明确的答案。中科院合肥研究院安光所方晓东、孟钢研究员团队以pCuCrO2为研究对象,揭示了表面不饱和氧空位缺陷为气敏活性位点,通过合成过程或者后退火引入更多的氧空位缺陷,均可提升传感器对VOCs的灵敏度,相关成果以《氧空位缺陷显著增强p型铜铁矿CuCrO2的气敏特性》为题,发表于ACS Applied Materials & Interfaces杂志上。随后,该团队又提出采用Ar&H2等离子体处理技术,诱导p型氧化物表层形成富含氧空位的缺陷层,增强传感器对VOCs的电学响应,相关成果以《p- CuAlO2表层氧空位缺陷的Ar&H2等离子体处理调控及VOCs敏感性能提升》为题,发表在Chemical Communications期刊上。 

       活性位点的稳定性是传感器实际应用的一个重要指标。尽管通过真空退火或等离子体处理可诱导产生体/表面氧空位缺陷,然而,这些氧空位在高温工作条件下很容易与环境中的氧复合而失去活性。为了稳定p型氧化物的氧空位活性位点,该团队以常用的pNiO为研究对象,尝试了多种元素掺杂,筛选出Sc为一种新型高效的NiO增敏掺杂剂。在此基础上,进一步探究了共掺缺陷调控,发现Sc-Li共掺可进一步诱导NiO晶格畸变,产生高浓度的氧空位缺陷,将NiO传感器对100ppm丙酮的灵敏度提升2个数量级,检测限低至10ppb。而且,Sc-Li共掺引入的氧空位缺陷具有更好的稳定性,传感器在7个月后灵敏度仅衰减30%,初步满足了实际应用对传感器长期稳定性的要求。相关成果以《Sc掺杂NiO纳米花传感器的VOCs传感特性》和《异价Sc3+Li+共掺杂大幅提升pNiO传感器的性能》为题,分别发表在Journal of Alloys and CompoundsSensors and Actuators B: Chemical上。 

  以上研究工作由国家自然科学基金和中科院国际合作等项目资助。 

  文章链接:https://doi.org/10.1021/acsami.8b10485 

  https://doi.org/ 10.1039/c9cc05881h 

  https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155760 

  https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128834 

 

  p型Sc-Li共掺NiO传感器对100ppm乙醇的气敏响应特性:(a)灵敏度与重复性;(b)灵敏度同文献结果对比;(c)长期稳定性。

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