【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，青島大學物理科學學院張軍教授團隊在氣體傳感器的材料設(shè)計、器件構(gòu)筑與機理研究方面取得多項重要突破，先后在Small、Appl. Phy. Lett.、Coord. Chem. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.等高水平期刊發(fā)表系列研究成果，系統(tǒng)展示了團隊在面向氫能安全、環(huán)境監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)傳感等國家戰(zhàn)略需求方向的創(chuàng)新實力。
一、MXene低溫抗干擾氫氣傳感器
MXene作為一種新型二維材料，憑借高導電性、豐富的表面官能團與可調(diào)控的表面化學性質(zhì)，在微納電子器件和氣體傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，其表面金屬原子在環(huán)境條件下的快速氧化，導致材料性能衰減，成為制約實際應用的瓶頸。為解決這一難題，團隊基于原子層沉積(ALD)技術(shù)開發(fā)了表面工程策略，在Ti?C?T?MXene表面精準構(gòu)建ZnO與Pd共修飾敏感界面。該“導電基底-氧化保護-催化修飾”三元協(xié)同結(jié)構(gòu)，有效抑制了材料氧化并提升了氫氣反應活性。基于該策略制備的Pd-ZnO/MXene傳感器對50 ppm H?的響應/恢復時間僅為23秒/64秒，表現(xiàn)出高靈敏、快速和穩(wěn)定的檢測性能，為“雙碳”背景下的氫能“制-儲-運-用”全鏈條安全監(jiān)測提供了可靠的傳感解決方案。此外，該ALD表面工程策略具良好普適性，有望拓展至其他MXene體系乃至二維材料器件應用，為高性能電子器件的構(gòu)建提供了新范式。該成果以“Atomic Surface Engineering ofMXene for Stable Hydrogen Sensing at Low Temperature”為題，發(fā)表于納米材料領(lǐng)域頂級期刊Small(IF=12.1)，2023級碩士研究生楊瀟為第一作者，劉相紅教授與張軍教授為共同通訊作者。
二、原位集成異質(zhì)結(jié)自驅(qū)動NO?傳感器
針對傳統(tǒng)過渡金屬硫族化合物(TMD)異質(zhì)結(jié)制備中存在的轉(zhuǎn)移損傷與界面退化問題，團隊創(chuàng)新提出“直接原位固相轉(zhuǎn)化”策略，一步構(gòu)筑片上集成式二維CuInSe?–In?Se?異質(zhì)結(jié)，避免了機械轉(zhuǎn)移過程，顯著提升了器件的一致性。該異質(zhì)結(jié)在365 nm紫外光激發(fā)下具備自驅(qū)動運行能力，在室溫下對5 ppm NO?表現(xiàn)出高選擇性與超快響應(2.36秒)，靈敏度達到國際先進水平，為面向物聯(lián)網(wǎng)的低功耗、高性能氣體傳感器提供了新路徑。該研究成果以“In situ construction of CuInSe2–In2Se3heterojunctions for highly selective self-powered NO2sensors”為題，發(fā)表在物理學領(lǐng)域的自然指數(shù)期刊Appl. Phy. Lett.，并被遴選為“Editor's Pick”。2023級碩士研究生姜浩為第一作者，鄭威副教授與張軍教授為共同通訊作者。
三、原位譜學揭示氣體傳感材料動態(tài)結(jié)構(gòu)演變機制
針對半導體氣體傳感器敏感過程中活性物相不明、動態(tài)機理不清的核心挑戰(zhàn)，團隊利用石墨烯誘導成功制備了物相可調(diào)In?O?同質(zhì)結(jié)構(gòu)，并創(chuàng)新性地采用原位拉曼光譜技術(shù)，首次實現(xiàn)了對氣體響應過程中材料表面物相動態(tài)變化的實時觀測。該研究不僅使傳感器對5 ppm NO?的響應提升至1208，靈敏度提高20倍以上，更關(guān)鍵的是通過捕捉特征拉曼峰的可逆變化，明確了主導氣敏行為的活性物相，建立起從納米尺度結(jié)構(gòu)動力學到宏觀器件功能的直接關(guān)聯(lián)，為高性能、低功耗氣體傳感器的理性設(shè)計提供了堅實的理論與實驗基礎(chǔ)。該成果以“Probing the Structural Dynamics of In2O3Using in Situ Raman Spectroscopy: Bridging Material Dynamics and Sensor Functionality”為題發(fā)表于化學領(lǐng)域頂級期刊Angew. Chem. Int. Ed.。2023級博士研究生趙娜與常曉副教授為共同第一作者，劉相紅教授和張軍教授為共同通訊作者。
四、氣體傳感機理綜述系統(tǒng)闡釋“n-p型轉(zhuǎn)換”現(xiàn)象
在推進實驗技術(shù)創(chuàng)新的同時，團隊在氣體傳感基礎(chǔ)理論方面也取得重要進展。2023級碩士研究生楊瀟作為第一作者，撰寫了題為“Conductivity-Type Transition in Gas Sensing: Phenomena, Mechanisms and Applications”的綜述論文,發(fā)表于國際頂級期刊Coord. Chem. Rev.(IF=23.5)。該文章系統(tǒng)梳理了氣體傳感過程中長期存在的“n-p型導電轉(zhuǎn)換”現(xiàn)象，針對其內(nèi)在機理不明、實驗現(xiàn)象難以統(tǒng)一解釋的領(lǐng)域困惑，首次建立了從現(xiàn)象分類、機理闡釋到應用展望的完整框架。文章澄清了該類轉(zhuǎn)換行為的多重物理化學起源，有效解決了長期以來在傳感機制理解上的爭議，為理解半導體氣敏材料的動態(tài)行為和設(shè)計下一代智能傳感器提供了重要的理論依據(jù)，彰顯了團隊在氣體傳感領(lǐng)域“理論認知”與“實驗創(chuàng)新”協(xié)同并進的研究特色。
五、學術(shù)交流活躍，人才培養(yǎng)成效顯著
團隊的多項成果，在近期召開的“第十八屆全國敏感元件與傳感器學術(shù)會議暨第十六屆全國氣濕敏傳感技術(shù)學術(shù)交流會”上獲得了學界廣泛關(guān)注。劉相紅教授作邀請報告，鄭威副教授、研究生鞠曉蕾、陳奕霖作口頭報告，趙娜、楊瀟等做海報展示。其中，鄭威副教授獲“優(yōu)秀口頭報告獎”，博士研究生趙娜和碩士研究生鄭文陽獲“優(yōu)秀海報獎”。這些學術(shù)榮譽充分展示了該團隊在敏感元件與傳感器領(lǐng)域扎實的研究積累與活躍的學術(shù)影響力，體現(xiàn)了團隊在科研創(chuàng)新與高水平人才培養(yǎng)方面的顯著成效。
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