《Nano-Structures & Nano-Objects》：High-performance gas sensors based on nanostructured metal oxide semiconductors: Materials engineering and sensing mechanisms
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金属氧化物半导体（MOS）气体传感器通过纳米结构调控与多元素共掺杂显著提升灵敏度、选择性和室温性能，但存在湿度干扰与稳定性不足等问题。本文系统综述了MOS传感器的合成方法（如溶胶-凝胶法）、形貌设计（一至三维结构）及气体响应机制，重点分析异质结工程与共掺杂策略对材料电子结构与表面化学的协同优化作用，并提出面向实际应用的可持续制备技术及人工智能辅助阵列开发方向。
Nivishna R | Anilkumar P | Nisha Jenifar A
印度泰米尔纳德邦哥印拜陀KPR工程与技术学院化学系，邮编641407
摘要
工业化和城市化的迅速发展显著加剧了空气污染，对人类健康和环境构成了严重威胁。尽管已经开发出多种气体检测方法，但这些方法通常成本高昂、操作复杂，且不适用于实时监测。为应对这些挑战，研究人员开展了大量研究，致力于开发高效的环境传感器，从理论研究逐步过渡到实际应用。其中，基于金属氧化物半导体（MOS）的气体传感器因具有成本效益高、灵敏度高、选择性强和性能可靠等优点而成为有前景的选择。本文全面总结了气体传感器技术的最新进展，重点介绍了合成技术、形态改性以及MOS材料的气体传感机制，并探讨了材料性质与传感器性能之间的关键关系，同时提出了未来研究方向，以推动MOS基气体传感技术的发展。
引言
空气污染指的是地球大气中存在有害物质，其浓度对环境、人类健康和生物体造成危害。污染物以气体、气溶胶和颗粒物的形式存在，工业排放和城市化进程显著增加了硫化氢（H?S）、氨（NH?）、二氧化氮（NO?）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO?）以及苯、甲苯、甲醛和氯仿等挥发性有机化合物（VOCs）等有毒物质的浓度[1][2][3]。这些污染物的高浓度可能超过允许限值，导致呼吸系统疾病、环境退化甚至死亡。因此，开发实时、低成本且可靠的气体传感技术对于工业安全和环境监测至关重要。气体传感器通过检测传感材料在接触目标气体时的表面和电学性质变化来工作[4][5][6]。在各种传感技术中，基于金属氧化物半导体（MOS）的化学传感器因其低成本、可扩展性和高灵敏度而表现出优异的气体传感性能。纳米技术的进步使得对材料特性（如MOS形态和电子结构）进行精确控制成为可能，从而提高了灵敏度、选择性和稳定性[7][8]。然而，MOS传感器的性能仍受到诸多限制，包括需要较高的工作温度、交叉敏感性、在多种气体环境中的选择性差、湿度干扰以及长期不稳定性[9][10][11][12][13]。解决这些挑战对于推进气体传感器技术的发展至关重要，尤其是在要求高精度和稳定性的应用中。为克服这些问题，研究人员重点研究了材料工程策略。虽然传统的单元素掺杂方法改进效果有限，但多元素共掺杂能够产生协同效应，提高载流子迁移率、缺陷密度和氧空位形成，从而改善响应时间和恢复时间[14][15][16][17]。此外，异质结构工程（如p-n异质结、n-n异质结、肖特基结和核壳结构）利用半导体之间的界面相互作用来优化能带对齐、电荷转移和催化活性，这些策略显著提升了MOS基气体传感器的选择性、灵敏度和室温（约25°C）下的稳定性[18][19][20][21]。
溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是一种广泛应用于制备高效金属氧化物纳米颗粒和纳米复合材料的多功能化学合成技术。该方法能够生成尺寸均匀、形态一致、成分明确且纯度高的纳米材料。通过水解和缩合将金属醇盐转化为溶胶，随后经过凝胶化、干燥和煅烧过程，最终获得多孔或细小的颗粒，为金属氧化物气体传感应用提供了显著优势。
金属氧化物的气体传感机制
MOS的气体传感机制主要依赖于吸附的氧物种与目标气体分子之间的表面氧化还原反应，这些反应会导致传感材料的电阻变化。合成方法、掺杂技术、异质结构构建和表面功能化的进步显著提升了传感器的选择性、灵敏度和室温下的工作性能。气体传感器基于多种检测原理，包括电化学原理等。
用于气体传感的纳米结构MOS
纳米结构MOS材料在高性能气体传感器的开发中发挥着关键作用，它们具有较大的表面积与体积比、可调的电子特性（如电荷转移和带隙）以及优异的气体吸附能力。通过调控一维纳米结构（纳米线、纳米棒、纳米管和纳米纤维）、二维纳米片（纳米片）和三维层次结构（纳米立方体）的晶粒尺寸和形态，可以进一步优化传感性能。
多元素共掺杂
共掺杂是指将两种或更多金属离子同时掺入金属氧化物晶格中。这种技术被证明是提升气体传感性能的有效方法。与单元素掺杂相比，共掺杂能够产生协同效应，优化电子结构、增加氧空位浓度并改变表面化学性质，从而提高载流子传输、气体吸附和表面反应效率，进而提升灵敏度。
挑战与未来展望
尽管MOS基气体传感器已取得显著进展，但在混合气体环境中实现高选择性、保持湿度抗性、确保长期稳定性和实现可靠实时检测方面仍面临关键挑战。未来的研究应致力于开发先进的材料和器件结构，以在实际环境条件下提升传感性能。多元素共掺杂在修改能带结构方面表现出良好效果。
结论
本文全面总结了纳米结构MOS基气体传感技术的最新进展，强调了材料性质与传感效率之间的关系。从对可靠气体检测日益增长的需求出发，讨论了多种合成方法和形态设计，包括纳米颗粒、纳米棒、纳米线、纳米片和核壳结构，这些因素对灵敏度、选择性和工作温度具有重要影响。
CRediT作者贡献声明
Anilkumar P：验证、监督、概念构思。
Nivishna R：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法学设计、数据整理、概念构思。
Nisha Jenifar A：撰写——审稿与编辑、数据分析。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
