電子科技大學、重慶大學Small：電子散射和空間電荷轉移的協同效應實現SnO2在室溫下對NO2的高性能檢測

01導讀

設計高性能（如響應高、響應/恢復快、選擇性高和檢測限低）傳感器用于檢測環境中有毒污染物NO₂具有重要的科學和現實意義。金屬氧化物半導體（MOS）氣體傳感器由于其高靈敏度、小型化和低成本等優點在NO₂檢測領域受到極大關注。然而，MOS傳感器較差的選擇性和較高的工作溫度嚴重限制其廣泛應用。盡管近些年來通過各種方法實現了一些MOS傳感器的室溫傳感，包括形態控制、摻雜、缺陷和異質結構造等。但是，這些方法主要是僅依賴于改善空間電荷轉移，難以同時改善室溫下多個氣敏性能參數，特別是響應值和選擇性。

02成果掠影

近日，電子科技大學太惠玲教授課題組和重慶大學曾文教授課題組提出了一種電子散射和空間電荷轉移的協同效應，以提高n型金屬氧化物在室溫下對NO₂的氣敏性能。基于此策略，通過乙酰丙酮輔助溶劑蒸發法結合精確的N₂和空氣煅燒開發出了由超小（約4 nm）晶粒組裝的多孔SnO₂納米顆粒傳感器，實現了在室溫下對NO₂的高性能檢測，包括出色的響應（R_g/R_a=772.33@5 ppm）、超快的恢復速度（<2 s）、極低的檢測極限（10 ppb）以及優異的選擇性（響應比>30）。此外，通過理論計算和實驗測試驗證了此優異的NO₂傳感性能主要歸功于該獨特的協同效應，并獲得了電子散射和空間電荷轉移協同效應在氣體傳感中的基本特征。研究相關成果以題為“Synergistic Effect of Electron Scattering and Space Charge Transfer Enabled Unprecedented Room Temperature NO₂ Sensing Response of SnO₂”發表在Small，并被選為Frontispiece。電子科技大學博士研究生張亞杰為論文第一作者。

03核心創新點

為全面提高n型金屬氧化物對NO₂的氣敏性能，提出了電子散射和空間電荷轉移的協同效應。為驗證此策略，制備了由超小晶粒組裝的多孔SnO₂并實現了前所未有的NO₂傳感性能。

04數據概覽

圖1 (a) SnO₂-NA合成示意圖。(b) SnO₂前驅體，(c) SnO₂-N₂和(d) SnO₂-NA的TEM圖像。(e) SnO₂-NA的晶粒尺寸分布。(f) SnO₂-NA的HRTEM圖像和(g)相應的SAED圖。

圖2 (a) SnO₂-N₂、SnO₂-NA和SnO₂-Air的XRD譜圖。(b) SnO₂-NA和SnO₂-Air的EPR譜。(c) SnO₂-NA和(d) SnO₂-Air的O 1s HRXPS光譜。(e) SnO₂-NA和SnO₂-Air的拉曼光譜。(f) SnO₂-NA和SnO₂-Air的氮氣吸附-脫附等溫線及相應的孔徑分布。

圖3 SnO₂-NA傳感器的氣敏性能。(a)室溫下對0.2–5 ppm NO₂的實時電阻變化曲線。(b) 對0.2–5 ppm NO₂的響應值曲線。(c)對低濃度（10、20、40 ppb）NO₂的動態響應-恢復特性曲線。(d)對5 ppm NO₂響應/恢復時間。(e)重復性曲線。(f)對各種氣體的選擇性響應。(g)傳感器在不同相對濕度下對1 ppm NO₂的響應。(h)傳感器在7周內對5 ppm NO₂的響應。(i) SnO₂基傳感器在室溫下對5 ppm NO₂的氣敏性能對比。

圖4 (a) SnO₂的DOS和PDOS圖。(b) SnO₂-O_V的DOS和PDOS圖。(c)在SnO₂-O_V上吸附各種氣體的側面圖。(d)含NO₂的SnO₂-O_V的ELF。(e) NO₂吸附后SnO₂-O_V的電荷密度差。藍色和黃色區域分別表示電子消耗和積累。(f) SnO₂-O_V對6種氣體的吸附能。

圖5 (a)不同溫度下SnO₂-NA傳感器對5 ppm NH₃的響應。(b) SnO₂-NA傳感器對不同氣體的傳感機理示意圖。(c) SnO₂-NA傳感器對NO₂的氣敏機理示意圖。

05 成果總結

本文提出了一種基于電子散射和空間電荷轉移協同效應的氣敏增強策略，并通過設計由超小顆粒組裝的多孔SnO₂納米顆粒驗證了這一策略的提升效果，實現了在室溫下前所未有的NO₂氣體傳感性能。這項工作促進了電子散射與空間電荷轉移在氣體檢測領域的深入結合，并為開發高性能和低功耗氣體傳感器提供了一種新穎的方法。基于此協同效應的普適性，該提升策略有潛力改善各種傳感材料的氣敏性能，如MOS、碳材料和過渡金屬硫族化合物。

文章鏈接：

Synergistic Effect of Electron Scattering and Space Charge Transfer Enabled Unprecedented Room Temperature NO₂ Sensing Response of SnO₂

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202303631