济南大学 物理科学与技术学院
功能微纳材料与器件实验室(光电材料与器件团队)
Functional Micro/nano Materials and Devices Lab

基于胶体量子点的高性能室温柔性NO2气体传感器

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当前,大气污染治理已成为各级政府的施政重点和我国社会的主流民意及公共诉求。氮氧化物(以二氧化氮和一氧化氮为主)是PM2.5及臭氧的前体物,不仅是霾的成因之一,还会诱发光化学污染,而且易与水汽结合形成硝酸根,是酸雨的主要成分之一,对城市环境和居民健康构成了严重威胁。氮氧化物的实时在线监控及污染源排查,对当前PM2.5的联防联控和环境治理十分关键,而现有的以氧化锡为典型气敏材料的半导体传感器尽管已取得一定应用,却存在工作温度较高、选择性不佳等问题,迫切需要体积小、能耗低、检测精度高、便携性好、能用于物联网的新型气体传感器。

华中科技大学武汉光电国家实验室唐江教授和光学与电子信息学院刘欢副教授和傅邱云教授合作,创新地采用胶态法合成的硫化铅量子点作为气敏材料,在室温下以简便的旋涂法成膜形成器件,设计并制备出室温下对低浓度NO2具有高灵敏度(50ppm时响应度为21.7)、快速响应及恢复速度(响应和恢复速度分别为12秒和37秒)的新型半导体气体传感器,而且采用普通便签纸作为柔性衬底替代传统器件中的陶瓷刚性衬底,在进一步提升传感器性能的同时,使得器件更为轻薄短小、成本更低,而且其优良的抗弯曲疲劳特性可满足对器件柔韧性有特殊要求的应用需求。该团队还结合DFT理论计算清晰地诠释出上述气敏特性的物理与化学本质。量子点巨大的比表面结和成膜后疏松多孔的微观结构对气体分子的吸附和电荷转移十分有利,当NO2分子通过氧原子与p型硫化铅量子点表面Pb位相连将起到受主掺杂作用,引起电导率上升而呈现出快速的响应,而且硫化铅量子点对NO2气体具有较为适中的吸附能(结合能约为0.8eV, 因而在排气阶段气体也易于脱附,从而具备快速的可恢复特性。该研究成果给半导体气体传感器的发展带来新的机遇,题为Physically Flexible,Rapid-Response Gas Sensor Based on Colloidal Quantum Dot Solids的论文发表在AdvancedMaterialsDOI: 10.1002/adma.201304366)。研究工作得到了国家自然科学基金项目(6100601261274055)、青年千人计划、新世纪优秀人才计划和光电信息学院人才基金的经费支持。