基于超薄氧硫化鋅的室溫高性能NO?氣體傳感器

金屬氧硫化物是一類新興的用于高性能二氧化氮（NO?）氣體傳感的敏感材料，因?yàn)樗鼈兙哂惺覝毓ぷ髂芰?、?yōu)異的NO?選擇性、ppb級的檢測極限以及對周圍環(huán)境的高穩(wěn)定性。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，墨爾本皇家理工大學(xué)（RMIT University）的科研人員研究了由超薄納米片制成的三維自組裝氧硫化鋅的室溫NO?傳感性能。在460 nm激發(fā)下，該傳感器在室溫下對1.26 ppm NO?氣體表現(xiàn)出完全可逆和可重復(fù)的傳感響應(yīng)，響應(yīng)幅度約為2.27，檢測限（LOD）為294.8 ppt。這項(xiàng)工作證明了金屬氧硫化物架構(gòu)在開發(fā)下一代室溫NO?氣體傳感器方面的巨大潛力。相關(guān)研究成果以“A Room Temperature High-Performance Visible-Light-Assisted NO? Gas Sensor Based on Ultrathin Zinc Oxysulfide”為題發(fā)表在Advanced Sensor Research期刊上。

在這項(xiàng)工作中，采用水熱-退火相結(jié)合的方法，首先合成了硫化鋅微自組裝體，然后在可控環(huán)境下將其轉(zhuǎn)化為氧硫化鋅。結(jié)果顯示，合成的氧硫化鋅呈現(xiàn)出尺寸在5-50 μm之間的混合球形結(jié)構(gòu)。硫化鋅中的大部分S原子被O原子取代，導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)從立方/六邊形轉(zhuǎn)變?yōu)樾狈綐?gòu)型。同時(shí)，相應(yīng)的光學(xué)帶隙從約3.6-3.8 eV減小到約1.92 eV，從而實(shí)現(xiàn)可見光捕獲能力。

氧硫化鋅的表征

氧硫化鋅的X射線光電子能譜（XPS）測試

為了充分挖掘氧硫化鋅在氣體傳感領(lǐng)域的潛力，通過在硅基叉指換能器（IDT）襯底上沉積約40 μL的材料溶液制備了氧硫化鋅傳感器。NO?由于其獨(dú)特的順磁性而被選擇作為目標(biāo)氣體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在藍(lán)光照射（λ = 460 nm）下，氧硫化鋅傳感器對1.26 ppm NO?具有完全可逆的傳感響應(yīng)，響應(yīng)因子約為2.27。這種傳感響應(yīng)主要源于氣體分子與材料之間的物理吸附行為。傳感器LOD的計(jì)算值為294.8 ppt，在基于半導(dǎo)體的化學(xué)電阻傳感器中排名第一。與其它被測分析物相比，氧硫化鋅傳感器對NO?氣體具有高度選擇性，表明其具有優(yōu)異的傳感選擇性。此外，濕度暴露對傳感器NO?傳感性能的影響較小。

空氣平衡下評估的氧硫化鋅室溫NO?氣體傳感性能

總而言之，研究人員基于兩步化學(xué)反應(yīng)成功合成了氧硫化鋅超薄納米片。根據(jù)掃描電子顯微鏡圖，由于自組裝團(tuán)聚，材料形成三維球形結(jié)構(gòu)。研究人員進(jìn)一步研究了氧硫化鋅的晶體和化學(xué)組成，結(jié)果表明，氧硫化鋅為具有Zn、S和O元素化學(xué)鍵的ZnSO?晶格體系。鑒于其固有的強(qiáng)光學(xué)吸收行為和顯著延長的激子輻射壽命，在光-氣-物相互作用平臺上實(shí)現(xiàn)了超薄氧硫化鋅在可見光照射下的室溫氣敏性能測試。結(jié)果表明，在室溫下，在藍(lán)光激發(fā)（λ = 460 nm）下，氧硫化鋅傳感器對1.26 ppm NO?氣體表現(xiàn)出完全可逆和可重復(fù)的傳感響應(yīng)，響應(yīng)幅度約為2.27。通過動態(tài)實(shí)驗(yàn)考察了傳感器的線性度，傳感器顯示出從低濃度到高濃度NO?的線性響應(yīng)，LOD計(jì)算為294.8 ppt，在化學(xué)電阻傳感器中處于一流水平。該傳感器對低濃度氣體也表現(xiàn)出相對較快的響應(yīng)，僅需約8分鐘即可完全與315 ppb NO?反應(yīng)。此外，與H?、H?S、CO?、CH?和NH?等其他常用氣體相比，氧硫化鋅傳感器對NO?氣體的選擇性更高。因此，研究人員相信這項(xiàng)工作將為超薄金屬氧硫化物在新一代高性能室溫可見光輔助氣體傳感器中的應(yīng)用鋪平道路。

審核編輯：黃飛

?