电子科技大学、重庆大学Small：电子散射和空间电荷转移的协同效应实现SnO2在室温下对NO2的高性能检测
01导读
设计高性能（如响应高、响应/恢复快、选择性高和检测限低）传感器用于检测环境中有毒污染物NO2具有重要的科学和现实意义。金属氧化物半导体（MOS）气体传感器由于其高灵敏度、小型化和低成本等优点在NO2检测领域受到极大关注。然而，MOS传感器较差的选择性和较高的工作温度严重限制其广泛应用。尽管近些年来通过各种方法实现了一些MOS传感器的室温传感，包括形态控制、掺杂、缺陷和异质结构造等。但是，这些方法主要是仅依赖于改善空间电荷转移，难以同时改善室温下多个气敏性能参数，特别是响应值和选择性。
02成果掠影
近日，电子科技大学太惠玲教授课题组和重庆大学曾文教授课题组提出了一种电子散射和空间电荷转移的协同效应，以提高n型金属氧化物在室温下对NO2的气敏性能。基于此策略，通过乙酰丙酮辅助溶剂蒸发法结合精确的N2和空气煅烧开发出了由超小（约4 nm）晶粒组装的多孔SnO2纳米颗粒传感器，实现了在室温下对NO2的高性能检测，包括出色的响应（Rg/Ra=772.33@5 ppm）、超快的恢复速度（<2 s）、极低的检测极限（10 ppb）以及优异的选择性（响应比>30）。此外，通过理论计算和实验测试验证了此优异的NO2传感性能主要归功于该独特的协同效应，并获得了电子散射和空间电荷转移协同效应在气体传感中的基本特征。研究相关成果以题为“Synergistic Effect of Electron Scattering and Space Charge Transfer Enabled Unprecedented Room Temperature NO2 Sensing Response of SnO2”发表在Small，并被选为Frontispiece。电子科技大学博士研究生张亚杰为论文第一作者。
03核心创新点
为全面提高n型金属氧化物对NO2的气敏性能，提出了电子散射和空间电荷转移的协同效应。为验证此策略，制备了由超小晶粒组装的多孔SnO2并实现了前所未有的NO2传感性能。
04数据概览
图1 (a) SnO2-NA合成示意图。(b) SnO2前驱体，(c) SnO2-N2和(d) SnO2-NA的TEM图像。(e) SnO2-NA的晶粒尺寸分布。(f) SnO2-NA的HRTEM图像和(g)相应的SAED图。
图2 (a) SnO2-N2、SnO2-NA和SnO2-Air的XRD谱图。(b) SnO2-NA和SnO2-Air的EPR谱。(c) SnO2-NA和(d) SnO2-Air的O 1s HRXPS光谱。(e) SnO2-NA和SnO2-Air的拉曼光谱。(f) SnO2-NA和SnO2-Air的氮气吸附-脱附等温线及相应的孔径分布。
图3 SnO2-NA传感器的气敏性能。(a)室温下对0.2–5 ppm NO2的实时电阻变化曲线。(b) 对0.2–5 ppm NO2的响应值曲线。(c)对低浓度（10、20、40 ppb）NO2的动态响应-恢复特性曲线。(d)对5 ppm NO2响应/恢复时间。(e)重复性曲线。(f)对各种气体的选择性响应。(g)传感器在不同相对湿度下对1 ppm NO2的响应。(h)传感器在7周内对5 ppm NO2的响应。(i) SnO2基传感器在室温下对5 ppm NO2的气敏性能对比。
图4 (a) SnO2的DOS和PDOS图。(b) SnO2-OV的DOS和PDOS图。(c)在SnO2-OV上吸附各种气体的侧面图。(d)含NO2的SnO2-OV的ELF。(e) NO2吸附后SnO2-OV的电荷密度差。蓝色和黄色区域分别表示电子消耗和积累。(f) SnO2-OV对6种气体的吸附能。
图5 (a)不同温度下SnO2-NA传感器对5 ppm NH3的响应。(b) SnO2-NA传感器对不同气体的传感机理示意图。(c) SnO2-NA传感器对NO2的气敏机理示意图。
05 成果总结
本文提出了一种基于电子散射和空间电荷转移协同效应的气敏增强策略，并通过设计由超小颗粒组装的多孔SnO2纳米颗粒验证了这一策略的提升效果，实现了在室温下前所未有的NO2气体传感性能。这项工作促进了电子散射与空间电荷转移在气体检测领域的深入结合，并为开发高性能和低功耗气体传感器提供了一种新颖的方法。基于此协同效应的普适性，该提升策略有潜力改善各种传感材料的气敏性能，如MOS、碳材料和过渡金属硫族化合物。
文章链接：
Synergistic Effect of Electron Scattering and Space Charge Transfer Enabled Unprecedented Room Temperature NO2 Sensing Response of SnO2
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