可见光激发下金纳米颗粒修饰氧化锌微纳阵列薄膜的LSPR增强气敏特性研究

The localized surface plasmon resonance (LSPR) of noble metal nanoparticles can induce changes in semiconductor properties, which can lead to room temperature gas sensing properties under visible light illumination. In this proposal, we will fabricate ZnO micro/nano array directly on the sensor substrates by utilizing colloidal crystal template method. Au nanoparticles (Au NPs) will be decorated on the ZnO micro/nano array. We will study the LSPR enhanced gas sensing properties of this Au NPs@ZnO structure, such as the tuning of the structure parameters of the Au NPs@ZnO array, the relationship among structure parameters, the LSPR properties and the gas sensing properties, and its applications. We will majorly study the mechanism under which the ZnO micro/nano array tunes the LSPR of Au NPs, and the impacts of the ZnO micro/nano array to the LSPR of the Au NPs. This proposal aims to provide a controllable method of fabricating Au NPs decorated ZnO micro/nano arrays, find out the relationship among the structure parameters, LSPR properties and gas sensing properties, and understand the mechanism in the LSPR enhanced gas sensing property. This project will provide a new path of build room temperature gas sensor under visible light illumination, and also will provide methods and possibilities of enhancing the performance of gas sensors.

利用局域表面等离子体共振效应（LSPR）诱导的半导体特性改变，可实现可见光照下半导体薄膜的室温气敏特性。项目基于胶体晶体模板在传感器基底上原位构筑氧化锌微纳阵列薄膜，利用金纳米颗粒在其表面的修饰产生LSPR效应，研究其LSPR增强气敏特性，主要内容包括：金修饰氧化锌微纳阵列薄膜结构参数的控制；阵列薄膜结构参数、LSPR特性与气敏特性之间的关联性；高性能气敏薄膜结构参数的优化及其应用初探。项目重点研究ZnO微纳阵列对金纳米颗粒LSPR的调控规律、光照下LSPR诱导的半导体特性改变及其对气敏机制的影响等科学问题。项目旨在发展一种金纳米颗粒修饰ZnO微纳阵列气敏薄膜的可控构筑方法，建立薄膜结构参数、LSPR特性与气敏特性之间的关联性，理解LSPR效应增强气敏特性的内在机制；实现若干气体的初步检测应用。本项目开展将提供一种构建可见光激发室温气体传感器的新思路，也为实现其高性能提供了方法和可行性。

随着环境问题的日益严重，用于危险性气体检测或监测的传感器研究越来越受到重视。其中，半导体式气体传感器具有结构简单、性价比高、易于集成等特点，现已被广泛应用于公共安全、环境监测、工业危险气体泄漏监测等领域。然而，由于传统半导体式气体传感器需要较高工作温度，能耗较高不利于便携式应用，且有爆炸风险不利于某些工业场合应用。本项目设计并构筑了金纳米颗粒修饰的氧化锌微纳阵列薄膜器件，利用金纳米颗粒的LSPR效应增强气敏传感特性，实现可见光激发的室温半导体气敏传感器。.项目详细开展了LSPR气敏增强特性、金纳米颗粒修饰的氧化锌微纳阵列薄膜器件构筑及性能、传感器样机研制等方面的研究工作。理论上，利用FDTD数值方法建立了薄膜结构参数、LSPR特性与气敏特性三者之间的关联。结果表明，随着ZnO空心球层数增多，薄膜呈现光子带隙效应，带隙深度与层数密切相关，层数越多，带隙越深；带隙位置与阵列的晶格常数成近似线性关系，当晶格常数为220 nm时，其光子带边恰好与金纳米球的LSPR峰重合，从而实现最优的LSPR气敏激发增强。实验上，利用胶体晶体模板和溶液浸渍-模板无损转移法，成功构筑了ZnO微纳阵列薄膜，薄膜周期可在100 nm~1000 nm调控，并发展了多层ZnO微纳阵列、空心球阵列等的可控制备方法；采用磁控溅射沉积法及胶体溶液滴涂法，实现金纳米颗粒在ZnO薄膜上的修饰，并详细研究了纳米颗粒的形貌对修饰后薄膜气敏特性的影响。应用上，成功研发了可见光激发的室温气敏传感器便携式样机，样机集成度高、操作方便；结合上述LSPR增强气体传感薄膜，实现二氧化氮、一氧化氮、氨气等目标气体的快速、现场检测，检测限可达到1 ppm。相关研究成果共发表SCI收录论文7篇，授权国家发明专利4项；培养/协助培养研究生4名。本项目为可见光激发的气敏传感器研究提供一种新思路，在工业危险气体泄漏监测领域有潜在应用前景。