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仪表网 仪表研发】环境中痕量挥发性有机化合物(VOCs)携带了环境与健康相关的重要讯息，VOCs的识别检测备受关注。尽管p型金属氧化物半导体具有独特的VOCs催化氧化活性，有望克服现有n型氧化物VOCs
传感器在识别特性方面的不足，推进VOCs传感芯片的开发，然而，p型氧化物在空气氛围下固有的“空穴累积层”构型导致其本征灵敏度较低，限制了其应用。
p型Sc-Li共掺NiO传感器对100ppm乙醇的气敏响应特性：(a)灵敏度与重复性；(b)灵敏度同文献结果对比；(c)长期稳定性。
缺陷调控是近年来传感、催化领域常用的一种调控材料表面电子结构和催化活性的策略，然而，材料表面缺陷种类众多，究竟哪种类型的缺陷决定p型氧化物传感器对VOCs的电学响应尚无明确的答案。安徽光机所激光中心方晓东、孟钢研究员团队以p型CuCrO2为研究对象，揭示了表面不饱和氧空位缺陷为气敏活性位点，通过合成过程或者后退火引入更多的氧空位缺陷，均可提升传感器对VOCs的灵敏度，相关成果以《氧空位缺陷显著增强p型铜铁矿CuCrO2的气敏特性》为题，发表于ACS Applied Materials & Interfaces杂志上。随后，该团队又提出采用Ar&H2等离子体处理技术，诱导p型氧化物表层形成富含氧空位的缺陷层，增强传感器对VOCs的电学响应，相关成果以《p- CuAlO2表层氧空位缺陷的Ar&H2等离子体处理调控及VOCs敏感性能提升》为题，发表在Chemical Communications期刊上。
活性位点的稳定性是传感器实际应用的一个重要指标。尽管通过真空退火或等离子体处理可诱导产生体/表面氧空位缺陷，然而，这些氧空位在高温工作条件下很容易与环境中的氧复合而失去活性。为了稳定p型氧化物的氧空位活性位点，该团队以常用的p型NiO为研究对象，尝试了多种元素掺杂，筛选出Sc为一种新型高效的NiO增敏掺杂剂。在此基础上，进一步探究了共掺缺陷调控，发现Sc-Li共掺可进一步诱导NiO晶格畸变，产生高浓度的氧空位缺陷，将NiO传感器对100ppm丙酮的灵敏度提升2个数量级，检测限低至10ppb。而且，Sc-Li共掺引入的氧空位缺陷具有更好的稳定性，传感器在7个月后灵敏度仅衰减30%，初步满足了实际应用对传感器长期稳定性的要求。相关成果以《Sc掺杂NiO纳米花传感器的VOCs传感特性》和《异价Sc3+、Li+共掺杂大幅提升p型NiO传感器的性能》为题，分别发表在Journal of Alloys and Compounds和Sensors and Actuators B: Chemical上。
以上研究工作由国家自然科学基金和中科院国际合作等项目资助
