薄膜晶体管光电催化COD传感器的栅极结构调控及其敏感机理研究
结题报告
批准号:
61764003
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
40.0 万元
负责人:
林仕伟
依托单位:
学科分类:
F0404.半导体电子器件与集成
结题年份:
2021
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
李娜、廖建军、谢鹏程、曹唱、司贺伟
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中文摘要
研究开发满足未来高灵敏度、集成化、实时在线监测需求的水质化学需氧量(COD)检测方法及传感器是水环境监测领域研究的重要课题。本项目将典型的光电催化技术和新型的薄膜晶体管器件有机结合,选择具有光催化活性的金属氧化物半导体作为栅极构建基于薄膜晶体管的光电催化COD传感器。从栅极的结构调控入手,改变栅极材料组成结构、微观几何结构、表面/界面结构和能级结构,研究栅极/电解液界面结构与电极电容的关系,探明界面电容对界面电势分布的影响规律以及对沟道电流响应信号的调控机理,找到通过栅极界面结构优化提高传感器性能的方法。深入研究栅极光催化反应对传感器性能的影响机制,通过栅极光催化材料的精细设计达到对光电催化COD传感器检测性能的可控调制,改善传感器的响应恢复性能和拓宽检测范围,实现对水体COD值高灵敏度、高选择性、快速响应的实时在线检测,并且为薄膜晶体管光电催化传感器的推广应用奠定科学与技术基础。
英文摘要
Research and development of highly sensitive, integratable and online real-time monitoring methods and sensors for chemical oxygen demand (COD) determination are crucial for the reliable monitoring applications in water environment. The photoelectrocatalytic COD sensors based on the thin-film transistors are proposed in the project using the photocatalytic metal-oxide semiconductors as the gate electrode. The sensors combine the advantages of both the typical photoelectrocatalytic COD sensors and the thin-film transistors. The rational design and modification of the gate electrodes, including changing the materials composition, microstructure, surface/interface nature and energy-level alignment, are of great significance to improve the COD detection properties. These thus require a systematic study on the relationship among the materials preparation, structure modification, surface decoration and the corresponding photoelectrocatalytic COD determination. The influence of COD photoelectrocatalysis at the gate surface on the sensing properties will be further investigated. The relationship between the capacitance at the gate/electrolyte interface and the response current in the channel will also be explored to clarify the underlying sensing mechanism, which is beneficial to improve the response and recovery performance and to broaden the detection range of the COD sensors. The purpose of the project is to achieve a real-time online COD determination method with high sensitivity, high selectivity and fast response using the photoelectrocatalytic sensors based on the thin-film transistors.
化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)是环境监测中用于评价水体受有机物污染程度的一项重要指标,是水质综合评价的重要参数之一。及时准确地监控水体COD 值,对水污染防治具有极其重要的意义。研究开发满足未来高灵敏度、集成化、实时在线监测需求的水质COD检测方法及传感器是水环境监测领域研究的重要课题。.本项目有机结合了传统光电化学COD传感器和薄膜晶体管的结构特点,利用具有光催化活性的金属氧化物半导体作为薄膜晶体管的栅极,通过栅极光催化降解水体有机物测定COD值。使用阳极氧化法等工艺,在栅极表面构筑TiO2纳米阵列结构,进一步通过在表面沉积Au、Pt等贵金属纳米颗粒或者复合不同能带宽度的半导体材料构建异质结构,提高栅极材料的光催化活性以及改善传感器的选择性。实验中开发了基于有机薄膜晶体管的光电催化传感器,对水质COD的检测限比传统光电化学法低两个数量级,达到 0.01 mg/L;进一步成功开发出基于硅场效应晶体管的延伸栅极COD传感器,在流速为1.0 mL/s时,该传感器的检测限低至0.12 mg/L,线性范围从1.44 mg/L到672 mg/L。系统的测试表征结合对实际水样的分析表明,研发的传感器具有良好的选择性、稳定性和可靠性。该传感器结构既保持了光电催化法检测速度快、灵敏度高、无二次污染等特点,又发挥了薄膜晶体管特有的信号放大功能,使其具有灵敏度高、微型化、集成化等特点,非常适用于对水质变化的实时在线跟踪及其变化早期的动态监测。.截止到2022年1月,在Sensors and Actuators B: Chemical等重要学术刊物上发表了18篇高水平论文,培养掌握薄膜晶体管和传感器技术的8名研究生,申请国家发明专利5项(已经获批2项)。受邀在国内外学术会议上作学术报告9次。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
A real-time on-line photoelectrochemical sensor toward chemical oxygen demand determination based on field-effect transistor using an extended gate with 3D TiO2 nanotube arrays
基于场效应晶体管的实时在线光电化学传感器,使用具有 3D TiO2 纳米管阵列的扩展栅极来确定化学需氧量
DOI:10.1016/j.snb.2019.03.071
发表时间:2019-06
期刊:Sensors and Actuators B: Chemical
影响因子:--
作者:Si Hewei;Pan Nengqian;Zhang Xidong;Liao Jianjun;Rumyantseva M N;Gaskov A M;Lin Shiwei
通讯作者:Lin Shiwei
Transforming Photocatalytic g‐C3N4/MoSe2 into a Direct Z‐Scheme System via Boron‐Doping: A Hybrid DFT Study
通过硼掺杂将光催化 g-C3N4/MoSe2 转化为直接 Z-方案系统:混合 DFT 研究
DOI:10.1002/cssc.202001048
发表时间:2020
期刊:Chemsuschem
影响因子:8.4
作者:Changzhi Ai;Jin Li;Liang Yang;Zhipeng Wang;Zhao Wang;Yamei Zeng;Rong Deng;Shiwei Lin;Cai‐Zhuang Wang
通讯作者:Cai‐Zhuang Wang
Wireless water quality monitoring and spatial mapping with disposable whole-copper electrochemical sensors and a smartphone
使用一次性全铜电化学传感器和智能手机进行无线水质监测和空间测绘
DOI:10.1016/j.snb.2019.127557
发表时间:2020-03-01
期刊:SENSORS AND ACTUATORS B-CHEMICAL
影响因子:8.4
作者:Liao, Jianjun;Chang, Feng;Lin, Shiwei
通讯作者:Lin, Shiwei
Facile synthesis and photoelectrochemical properties of novel TiN/C3N4/CdS nanotube core/shell arrays
新型TiN/C3N4/CdS纳米管核/壳阵列的简便合成及其光电化学性能
DOI:10.1016/s1872-2067(19)63512-6
发表时间:2020-10-01
期刊:CHINESE JOURNAL OF CATALYSIS
影响因子:16.5
作者:Ai, Changzhi;Tong, Li;Lin, Shiwei
通讯作者:Lin, Shiwei
Tailoring Bandgap of Perovskite BaTiO₃ by Transition Metals Co-Doping for Visible-Light Photoelectrical Applications: A First-Principles Study.
通过过渡金属共掺杂调整钙钛矿 BaTiO3 的带隙用于可见光光电应用:第一性原理研究
DOI:10.3390/nano8070455
发表时间:2018-06-21
期刊:Nanomaterials (Basel, Switzerland)
影响因子:--
作者:Yang F;Yang L;Ai C;Xie P;Lin S;Wang CZ;Lu X
通讯作者:Lu X
直接Z型纳米阵列光解水电极构筑、界面调控与电荷转移机制研究
  • 批准号:
    52162025
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    35万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    林仕伟
  • 依托单位:
D4型光解水氧化物纳米阵列光阳极的制备及电荷转移机理研究
  • 批准号:
    51462008
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    47.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    林仕伟
  • 依托单位:
量子点敏化纳米管阵列光解水阳极材料制备及界面电子转移机制研究
  • 批准号:
    51202050
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    林仕伟
  • 依托单位:
国内基金
海外基金