2018年CAIA獎二等獎獲獎項目簡介：微納結構半導體氣體傳感器表界面調控及其對VOCs的高靈敏檢測方法
完成單位：東北大學信息科學與工程學院，沈陽化工大學化學工程學院，安徽工程大學分析與測試中心，中國科學院合肥物質科學研究院
完成人：孟凡利、孟丹、孫宇峰、李民強、傘曉廣、苑振宇、胡海峰
1.成果簡介：
半導體傳感器價格低廉、性能穩定、適于現場檢測，被廣泛用于易燃易爆、有毒有害氣體和揮發性有機污染物的檢測。然而傳統半導體傳感器存在靈敏度低、檢測限高、選擇性差和工作溫度高等問題。申請人系統研究了微觀結構對氣敏性能的影響，制備了三維微納分級結構敏感材料，提高了半導體敏感材料的比表面積和氣體滲透性；在此基礎上，對微納結構表界面性能進行調控，利用表面羥基提高了對醇類氣體的靈敏度和選擇性；利用表面PN結結構提高了傳感器的靈敏度，降低了工作溫度；利用石墨烯高電導率、低電子噪音的特性提高了傳感器信噪比，降低了檢測限；利用貴金屬的富電子和催化作用研制出具有高靈敏度和低檢測限的納米結構氣體傳感器，實現了對多種有機污染物的ppb級快速檢測。
2.創新點和科學價值：
在ppb量級上對痕量有毒有害氣體和VOCs的探測是傳感器領域的難題，申請人系統研究了微觀結構對氣敏性能的影響，制備了三維微納分級結構敏感材料，提高了半導體敏感材料的比表面積和氣體滲透性，在此基礎上，對微納結構表界面性能進行調控，實現了對多種有機污染物的ppb級快速檢測，為半導體納米結構氣體傳感器的實際應用奠定了理論和技術基礎。主要創新點有：1）調控表面活性，提高傳感器靈敏度，降低檢測限；2）調控表面羥基含量，提高對醇類氣體的靈敏度和選擇性；3）調控表面PN結結構，提高傳感器的靈敏度，降低工作溫度；4）引入電子傳輸層，提高傳感器信噪比，降低檢測限。該成果2014年以來發表SCI論文20篇，SCI他引162次，申請發明專利2項，授權發明專利1項。曾獲得中國分析測試協會青年科學技術獎、第八屆安徽省自然科學優秀學術論文三等獎、遼寧省自然科學學術成果三等獎、《功能材料》雜志“優秀論文”獎、英國物理學會杰出審稿人獎等獎勵。受到澳大利亞兩院院士Douglas R. MacFarlane教授等國際和國內同行們的正面評價。
3.社會經濟效益和應用前景
傳感器是具有廣闊發展前景的高技術產業，在環境保護、安全生產、節能減排等領域均有廣泛應用。目前，國內氣體傳感器性能較差，以低端的半導體和催化燃燒氣體傳感器為主，高端氣體傳感器還是進口為主。該成果致力于高靈敏氣敏材料的設計及構筑，有望提升國產傳感器的綜合性能，增加國產高靈敏傳感器的市場份額。
