基于单层有序SnO₂纳米碗支化ZnO纳米线多级异质结构的高灵敏高选择性硫化氢气体传感器研究

近年来，基于金属氧化物半导体纳米材料的新型气体传感器受到了极大的关注，已经广泛应用于气体泄漏警报、环境气体监测和工业气体分析等各个领域。工业生产中的常见产物硫化氢是危险的有害气体之一，其对人体具有极大危害，微量的硫化氢就足以破坏人体呼吸系统，造成无意识的神经后遗症和心血管相关疾病。鉴于此，有效监测周围生活环境中的硫化氢含量具有重要意义。

本团队首次结合硬模板法、原子层沉积工艺和水热工艺，在MEMS基底上原位合成了单层有序SnO₂纳米碗支化ZnO纳米线的多级异质纳米材料，并以此作为气体传感器，对浓度低至1 ppm的硫化氢实现了高灵敏度和高选择性的探测。具体而言，此多级异质纳米材料在250 ^oC的工作温度下，对1 ppm硫化氢的响应（R_a/R_g）高达6.24，其响应变化率（5.24）约为单层有序SnO₂纳米碗材料的2.6倍，同时具有较快的响应/恢复速率。此外，对该单层有序SnO₂纳米碗支化ZnO纳米线的多级异质纳米材料的气敏性能重复测量了一个月，证实其具有较好的长期稳定性和可重复性。多级异质结构不仅有效增加了材料的比表面积，提升了材料的气体吸附能力，同时异质结提高了材料的气敏响应能力。此外，我们的传感材料原位制备于MEMS器件上，具有低功耗和可集成化的优势，为气体监测领域开发高灵敏度、高稳定性的气体传感器提供了坚实的技术支持。

 

图 a 单层有序SnO₂纳米碗支化ZnO纳米线多级异质纳米材料原位生长于MEMS基底的合成路线及气敏机理图；b 单层有序SnO₂纳米碗支化ZnO纳米线多级异质纳米材料的SEM及TEM形貌图；c 单层有序SnO₂纳米碗支化ZnO纳米线多级异质纳米材料的气敏性能图