高靈敏NO2傳感器的開發(fā)是半導體納米材料領域的研究熱點，而如何選擇對氣體具有優(yōu)異響應性能的傳感材料是實現(xiàn)對NO2高靈敏檢測的前提。傳感材料對被測氣體響應的大小與其在材料表面的吸附熱力學之間有著密切聯(lián)系，氣體在半導體表面的標準摩爾吸附焓代表了氣體在半導體表面結(jié)合的強弱程度，對氣敏傳感器的性能具有決定性。因此，在氣體傳感器研究領域，如何建立標準摩爾吸附焓與傳感器響應大小的對應關系，以及如何從傳感器測試中獲得標準摩爾吸附焓，對于傳感器理論的發(fā)展和傳感器實際測評、開發(fā)具有重要意義。
中國科學院新疆理化技術研究所環(huán)境科學與技術研究室科研人員首次設計并制備了基于rGO/TiO2（還原氧化石墨烯/二氧化鈦）納米異質(zhì)結(jié)材料的ppb級NO2傳感器，該傳感器對NO2響應優(yōu)異，在200℃時檢測限為1.5 ppb�？蒲腥藛T據(jù)此傳感材料建立模型，從氣體吸附改變材料表面電勢的角度，提出了以氣體為門電壓的氣體場效應納米傳感器概念，并以此為前提開創(chuàng)性的闡釋了氣體吸附與傳感器信號和吸附熱力學的內(nèi)在關系。科研人員有機的將氣體濃度、表面電勢與場效應晶體管理論聯(lián)系起來，建立了傳感器響應大小與標準摩爾吸附焓、氣體濃度、溫度之間的定量關系。通過測試傳感器在不同濃度和溫度條件下的響應大小，推導得到NO2在TiO2表面標準摩爾吸附焓為-25.51 kJ/mol，與文獻報道的-23.56 kJ/mol的理論值保持良好的一致性。在此基礎上，科研人員將建立的模型和得到的標準摩爾吸附焓用于傳感器的標定，實現(xiàn)了僅需要少量測試即可獲得響應大小與溫度、濃度的定量對應關系。此外經(jīng)驗證，在200℃時計算值與測量值在0-1 ppm的濃度范圍內(nèi)誤差小于9%。
該研究不僅為氣體在半導體表面的標準摩爾吸附焓的電學測量方法奠定了理論和實驗基礎，而且對高性能氣敏傳感材料的設計具有重要指導作用，更為非特異性氣體傳感器從吸附焓的角度建立氣體識別模式提供了新的思路。
相關研究成果發(fā)表在The Journal of Physical Chemistry C上。該工作得到了中科院“西部之光”、國家自然科學基金、中科院“百人計劃”、新疆維吾爾自治區(qū)國際合作、新疆維吾爾自治區(qū)青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)工程等項目的資助。
基于rGO/TiO2納米異質(zhì)結(jié)的NO2場效應傳感器模型及響應特性
