紫外光照下氧化锌微纳结构阵列薄膜的气敏特性及其调控

UV light activated resistive-type semiconductor gas sensors have advantages of low working temperature and high security. One objective in this field is to develop the high-performance and room-temperature sensors with low radiation intensity. We will construct ZnO micro/nanostructured arrays films by using monolayer colloidal crystal template, and study their gas sensing properties and regulation under UV radiation. The main contents of this project include: structural regulation and growth mechanism of ZnO micro/nanostructured arrays films, the correlation between UV light wavelength / radiation intensity, the structural parameters of the arrays films, and the noble metal nanoparticles-based surface modification and the gas sensing properties, and construction method and applications of the high-performance UV light activated room-temperature sensors. The project will focus on the controllable construction of ZnO micro/nanostructured arrays films under space confinement effect of template, and their modulation effect on light field. The project aims to develop highly sensitive, rapid response/recovery and highly selective gas sensors with low radiation intensity and low working temperature (such as room temperature), to indicate the inherent regulation mechanism of sensing properties, and to realize the applications of detecting some target gases. This research project will contribute to understanding the sensing mechanism of UV light activated resistive-type gas sensors, and providing the methods to develop high-performance, low-power, and room-temperature sensors.

紫外光激发型半导体电阻式气体传感器具有工作温度低、安全可靠等优点，发展低紫外光照强度下高性能的室温气体传感器是本领域追求的目标之一。项目利用单层胶体晶体模板构筑氧化锌微纳结构阵列薄膜，研究其在紫外光照下的气敏特性及其调控；主要包括：氧化锌微纳结构阵列薄膜的结构参数调控与生长机理，紫外光波长/光照强度、阵列结构参数、以及阵列薄膜表面贵金属纳米颗粒修饰等与气敏特性之间的关联，高性能紫外激发型氧化锌室温气体传感器的构筑方法及应用初探。项目着重解决模板空间限域效应下氧化锌微纳结构阵列薄膜的可控构筑、以及微纳结构阵列薄膜对紫外光场的调制效应两个科学问题；旨在发展低光照强度和低工作温度（如室温）下灵敏度高、响应/恢复快、选择性高的气体传感器，揭示气敏特性调控的内在机制，实现若干目标气体的检测应用。本项目研究将加深理解紫外激发型气体传感器的敏感机制，并为高性能低功耗室温气体传感器的发展提供方法。

项目组以研制低光照强度和低工作温度（如室温）下灵敏度高、响应/恢复快、选择性高的紫外光激发型半导体电阻式气体传感器为目标，探究氧化锌微纳结构阵列薄膜的构筑及其工艺参数控制，研究其在紫外光照下的气敏特性及其调控手段，旨在发展低紫外光照下高性能的室温气体传感器。主要开展了如下研究：研究传感器器件衬底上原位制备氧化锌微纳阵列薄膜的工艺流程，探究阵列薄膜的结构参数调控与生长机理；建立紫外光波长/光照强度、阵列结构参数、异质结结构等与气敏特性之间的关联；基于第一性原理计算结合准原位XPS等测试手段分析敏感薄膜气敏机理以及动力学反应过程；高性能紫外激发型氧化锌室温气体传感器的构筑方法及应用初探等。项目组取得了一系列创新研究成果，比如：基于溶液浸渍—模板无损转移法实现了在传感器器件衬底上氧化锌、氧化铁、氧化锡等多种金属氧化物的原位制备，通过改变前驱体溶液浓度、模板直径、退火条件等工艺参数调控敏感薄膜结构、厚度、颗粒尺寸等结构参数，解决了模板空间限域效应下氧化锌等多种金属氧化物微纳结构阵列薄膜的可控构筑；进一步探究了紫外光波长/光照强度、阵列结构参数对阵列薄膜气敏性能的调制效应，其中制备的氧化锌多孔空心球阵列薄膜在低紫外光照射下对二氧化氮气体表现出优异的气敏性能。随后，还拓展了实验，即通过构筑氧化铜@氧化锌、四氧化三钴/氧化锌等异质结结构，实现对硫化氢、二氧化氮等气体的快速痕量检测，其最低检测限可降至十几ppb，响应/恢复时间仅为几秒钟；基于自组装方法合成的金属氧化物阵列薄膜，实现了从低紫外光激发到无紫外光激发的室温硫化氢气体特异性检测。在前面实验的基础上，基于第一性原理计算并结合准原位XPS等测试手段，揭示了敏感材料与气体分子之间的吸附以及能带结构变化等过程，从而反演了动力学过程，探究了敏感材料对目标气体的具体气敏机制。通过本项目的顺利实施，我们不仅为高性能气体传感器的研制提供新方法，还为气体传感器的性能调控提供理论支持和解决途径。