施主型离子对氧化锌纳米晶表面态的调控及室温高灵敏呼气丙酮传感器
批准号：
62104064
项目类别：
青年科学基金项目（C类）
资助金额：
30.0 万元
负责人：
郭俊猛
依托单位：
学科分类：
半导体电子器件与集成
结题年份：
2024
批准年份：
2021
项目状态：
已结题
项目参与者：
郭俊猛
项目摘要
结项摘要
相似基金
相关文献
中文摘要
发展室温选择性高灵敏的丙酮气体传感器，对糖尿病的筛查和诊断具有重要意义。基于较强的电偶极相互作用，ZnO等氧化物的一些特定极性晶面对丙酮具有高选择性，但其工作温度高（100-400℃），带来稳定性差和功耗高的问题。针对该问题，我们在本项目中提出：通过摩擦电气体离子调控技术在ZnO的极性晶面上引入羟基基团，提高ZnO的表面电子浓度，进而实现O2−活性离子的大量吸附，获得室温高灵敏的丙酮传感器。本项目的研究内容：研究室温下相对湿度对摩擦电气体离子类型的影响，着重研究OH−(H2O)n构型对ZnO极性晶面引入施主型离子OH−的影响及其形成羟基的微观过程；揭示羟基基团调控ZnO极性晶面电子浓度的物理机制，得到电子浓度影响室温O2−活性离子吸附的普遍规律，进而实现室温下O2−在ZnO极性晶面的大量吸附。本项目的实施将为制备室温选择性高灵敏的丙酮传感器提供新颖的研究思路和坚实的技术支撑。
英文摘要
The development of selective and highly sensitive acetone gas sensors is of great significance for the screening and diagnosis of diabetes at room temperature. Based on the strong electric dipole moment interaction, some specific polar planes of oxides semiconductors have high selectivity to acetone, but their high working temperature (100-400℃) brings disadvantages such as poor stability and high energy consumption. In response to this problem, we proposed to introduce hydroxyl group on the polar plane of ZnO by using gaseous ions control technology driven by the triboelectric nanogenerator (TENG). It could increase the surface electron concentration of ZnO, resulting in the increase of the O2− adsorption at room temperature, and achieving highly sensitive acetone detection at room temperature. This project focuses on the following issues: studying the influence of relative humindity to the types of triboelectric gas ions at room temperature, and mainly studying the influence of OH-(H2O)n structure to the introduction of donor ion OH- on the polar crystal planes of ZnO and the micro-processes of hydroxyl formation; revealing that the physical mechanism of hydroxyl group regulates the electron concentration of the ZnO polar plane, obtaining the general law that the electron concentration affects the adsorption of O2− active ions at room temperature, and realizing the large amount of adsorption of O2− on the polar plane of ZnO at room temperature. The implementation of this project will provide novel research ideas and solid technical support for the preparation of selective and highly sensitive acetone sensors at room temperature.
本项目以金属氧化物半导体为传感材料，旨在实现室温条件下的高灵敏丙酮气体传感。通过引入摩擦电等离子体产生的施主型气体离子作为调控手段，对氧化物传感器的表面电子能态进行原位调控，有效提升室温下活性氧离子（O₂⁻）在金属氧化物纳米材料表面的吸附数量，从而实现低功耗的室温丙酮气体传感。本研究提出了一种基于摩擦纳米发电机驱动的针-板放电模型，并在大气环境下成功实现了施主型气体离子产量的精准控制。基于此，搭建了摩擦电等离子体原位调控平台，实现了对ZnO纳米器件电学输运特性的实时调控。通过施主型气体离子对ZnO纳米线表面态的作用，成功开发出基于ZnO的室温丙酮气体传感器，并提出相应的传感机制。研究发现，通过OH⁻对ZnO纳米线表面态的调控，实现了ZnO纳米线器件在室温下对10 ppm丙酮气体的响应值达38.3%，最大功耗为4 mW。室温气敏性能的提升得益于OH⁻与O₂⁻在ZnO纳米线同质结处的协同作用。ZnO能带弯曲的变化进一步影响了羟基附近氧空位（Vo）的电离状态，使得中性氧空位[Vo−O₂]更容易转化为活性更高的[Vo+−O₂⁻]，从而实现了快速且高效的室温气体传感。对于ZnO薄膜，通过摩擦电等离子体调控实现了对9 ppm丙酮气体的高灵敏检测，响应值达28，而最大功耗仅为27 pW。进一步研究表明，在摩擦电等离子体原位调控过程中，ZnO薄膜表面产生大量高活性的[Vo+−O₂⁻]，从而显著提升了其室温丙酮气体检测性能。本项目最终成功实现了糖尿病呼气标志物丙酮气体的室温高灵敏检测，圆满完成了预期的研究目标。项目执行期间，共发表标注基金资助号的科研论文5篇，申请国家发明专利2项。
国内基金
海外基金