基于超薄氧硫化锌的室温高性能NO₂气体传感器

金属氧硫化物是一类新兴的用于高性能二氧化氮（NO₂）气体传感的敏感材料，因为它们具有室温工作能力、优异的NO₂选择性、ppb级的检测极限以及对周围环境的高稳定性。

据麦姆斯咨询报道，近日，墨尔本皇家理工大学（RMIT University）的科研人员研究了由超薄纳米片制成的三维自组装氧硫化锌的室温NO₂传感性能。在460 nm激发下，该传感器在室温下对1.26 ppm NO₂气体表现出完全可逆和可重复的传感响应，响应幅度约为2.27，检测限（LOD）为294.8 ppt。这项工作证明了金属氧硫化物架构在开发下一代室温NO₂气体传感器方面的巨大潜力。相关研究成果以“A Room Temperature High-Performance Visible-Light-Assisted NO₂ Gas Sensor Based on Ultrathin Zinc Oxysulfide”为题发表在Advanced Sensor Research期刊上。

在这项工作中，采用水热-退火相结合的方法，首先合成了硫化锌微自组装体，然后在可控环境下将其转化为氧硫化锌。结果显示，合成的氧硫化锌呈现出尺寸在5-50 μm之间的混合球形结构。硫化锌中的大部分S原子被O原子取代，导致晶体结构从立方/六边形转变为斜方构型。同时，相应的光学带隙从约3.6-3.8 eV减小到约1.92 eV，从而实现可见光捕获能力。

氧硫化锌的表征

氧硫化锌的X射线光电子能谱（XPS）测试

为了充分挖掘氧硫化锌在气体传感领域的潜力，通过在硅基叉指换能器（IDT）衬底上沉积约40 μL的材料溶液制备了氧硫化锌传感器。NO₂由于其独特的顺磁性而被选择作为目标气体。实验结果表明，在蓝光照射（λ = 460 nm）下，氧硫化锌传感器对1.26 ppm NO₂具有完全可逆的传感响应，响应因子约为2.27。这种传感响应主要源于气体分子与材料之间的物理吸附行为。传感器LOD的计算值为294.8 ppt，在基于半导体的化学电阻传感器中排名第一。与其它被测分析物相比，氧硫化锌传感器对NO₂气体具有高度选择性，表明其具有优异的传感选择性。此外，湿度暴露对传感器NO₂传感性能的影响较小。

空气平衡下评估的氧硫化锌室温NO₂气体传感性能

总而言之，研究人员基于两步化学反应成功合成了氧硫化锌超薄纳米片。根据扫描电子显微镜图，由于自组装团聚，材料形成三维球形结构。研究人员进一步研究了氧硫化锌的晶体和化学组成，结果表明，氧硫化锌为具有Zn、S和O元素化学键的ZnSO₄晶格体系。鉴于其固有的强光学吸收行为和显著延长的激子辐射寿命，在光-气-物相互作用平台上实现了超薄氧硫化锌在可见光照射下的室温气敏性能测试。结果表明，在室温下，在蓝光激发（λ = 460 nm）下，氧硫化锌传感器对1.26 ppm NO₂气体表现出完全可逆和可重复的传感响应，响应幅度约为2.27。通过动态实验考察了传感器的线性度，传感器显示出从低浓度到高浓度NO₂的线性响应，LOD计算为294.8 ppt，在化学电阻传感器中处于一流水平。该传感器对低浓度气体也表现出相对较快的响应，仅需约8分钟即可完全与315 ppb NO₂反应。此外，与H₂、H₂S、CO₂、CH₄和NH₃等其他常用气体相比，氧硫化锌传感器对NO₂气体的选择性更高。因此，研究人员相信这项工作将为超薄金属氧硫化物在新一代高性能室温可见光辅助气体传感器中的应用铺平道路。

审核编辑：黄飞