基于多相ZnO异质结与硅金字塔表面工程协同提升CO2传感性能研究

本文报道了一种在硅金字塔阵列上构建ZnO/ZTO（Zinc Tin Oxide）异质结的新型CO2传感器，通过水热法合成ZnSnO3-ZnO和Zn2SnO4-ZnO结构，在150°C低温条件下实现高达398%的灵敏度（2500 ppm CO2），并展现优异的选择性、抗湿性和长期稳定性，为环境监测与健康防护提供创新解决方案。

　　

Highlight

Experimental

硅金字塔阵列通过湿法化学蚀刻制备：将5.6 g氢氧化钾（KOH）颗粒溶解于4 mL异丙醇（IPA）和100 mL去离子水（DI water）的混合溶液中，配置成1 M KOH溶液。将预清洗的(100)取向硅衬底浸入溶液，在80°C恒温下以2000 rpm转速磁力搅拌，通过控制蚀刻时间（10、20、40和60分钟）获得不同表面形貌。

Effect of Etching Time on the Morphology of Silicon Pyramid Arrays

图1(a)-(d)展示了不同蚀刻时间下硅衬底的SEM图像。蚀刻10分钟时，表面呈现稀疏分布且尺寸不均的金字塔结构，平均高度约0.9 μm；20分钟后，金字塔轮廓清晰、密度增加且分布均匀，平均高度显著升至2.8 μm；40分钟蚀刻使金字塔结构更密集，高度达3.7 μm；60分钟时出现过度蚀刻，导致金字塔顶部钝化并伴随表面粗糙度上升。

Conclusion

本研究成功开发了基于ZnO纳米棒阵列与ZnSnO₃/Zn₂SnO₄异质结集成的硅金字塔阵列CO₂气体传感器。层级结构工程与多相材料杂交策略显著提升了传感性能：所有器件在150°C时表现最佳，其中Zn₂SnO₄-ZnO/硅金字塔器件对2500 ppm CO₂的灵敏度高达398%，并具备快速响应/恢复特性（响应时间27秒，恢复时间41秒）、30天长期稳定性、对乙醇/丙酮/氢气等干扰气体的低交叉敏感性，以及在20–80%相对湿度下的抗干扰能力。该研究为实际应用场景中的高选择性、稳定型CO₂传感器提供了可扩展且材料高效的制备策略。