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为解决 ZnO 基气体传感器性能受限问题，研究人员开展钛掺杂氧化锌（TZO）纳米结构经强脉冲离子束辐照（IPIB）的研究。结果显示，IPIB 能提升 TZO 对 NO 的传感性能，这为环境监测和工业应用提供了有效技术，有望推动气体传感器发展。
在如今这个工业化快速发展的时代，空气污染问题日益严重，就像一层阴霾笼罩着人们的生活。工业生产、交通运输等活动释放出大量有害气体，其中一氧化氮（NO）对人体健康危害极大，短期接触会刺激呼吸道，长期接触更是会引发呼吸疾病，增加心脏病和中风的风险 。面对如此严峻的形势，及时准确地检测空气中的 NO 等污染物就显得尤为重要，而气体传感器便是检测这些污染物的关键工具。在众多气体传感器材料中，金属氧化物半导体（MOS）因成本低、灵敏度高、响应时间快等优势备受关注，其中氧化锌（ZnO）更是凭借独特的压电性、高电子迁移率和宽带隙能量等特性，在气体传感器领域有着广泛应用。然而，ZnO 基气体传感器也存在短板，比如其最佳工作温度较高，这使得功耗增加，在便携式或电池供电设备中的应用受到限制。
为了突破这些限制，来自 Nazarbayev University 的研究人员开展了一项旨在提升 TZO 纳米结构气敏性能的研究，相关成果发表在《Applied Surface Science Advances》上。该研究意义重大，若能成功提升 TZO 纳米结构的气敏性能，将为环境监测和工业生产等领域提供更高效、更可靠的气体检测手段。
研究人员采用了多种关键技术方法。在材料制备方面，利用顺序离子层吸附和反应（SILAR）法合成 TZO 纳米结构；通过热退火和 IPIB 辐照对 TZO 薄膜进行处理；运用原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）等多种表征技术对材料的形貌、结构、光学、电学等特性进行分析；借助密度泛函理论（DFT）计算研究 NO 气体在 TZO 材料上的吸附情况；搭建气体测量系统测试 TZO 传感器的气敏性能。
下面来看具体的研究结果：
- SEM 表面成像：通过 SEM 分析发现，热退火和 IPIB 辐照处理后的 TZO 薄膜表面发生明显变化，辐照后的样品出现了小颗粒，增加了传感器的表面积，AFM 分析也证实了粗糙度和晶粒尺寸的改变。
- XRD 分析：XRD 分析表明，处理后的 TZO 薄膜晶体结构发生变化，如晶格峰强度改变、光谱位移等，由此计算出的晶体结构参数也有所不同，IPIB 辐照促进了 TZO 晶体结构的有序化。
- 光学和电学性能：FT-IR 和 UV-Vis 光谱分析显示，处理后的 TZO 薄膜在成分和光学性质上有变化，IPIB 辐照促进了新化学键的形成。电学测量表明，IPIB 辐照显著提高了 TZO 薄膜中载流子的迁移率和浓度，降低了电阻。
- XPS 结果：XPS 分析发现，IPIB 辐照增加了 TZO 薄膜中氧空位的数量，氧空位在提升气敏性能方面起着重要作用。
- 气体测量结果：气体测量实验显示，在对 100ppm 的 NO 气体检测中，经 IPIB 辐照的 iTZO 传感器在 200°C 时响应率高达约 1300% ，远高于 TZO 和热退火处理的 aTZO 传感器。iTZO 传感器在稳定性和选择性方面也表现出色，对 NO 气体有较高的亲和力。
- DFT 计算：DFT 计算结果表明，NO 气体在有缺陷的 TZO 材料上的吸附能约为 - 1.11eV ，这种适度的吸附能有助于气体在传感器表面的吸附和脱附，优化了传感器性能。
- 气体检测机制：TZO 传感器检测 NO 气体的机制基于 n 型半导体的反应模型。在高温空气环境中，氧气分子吸附在 TZO 表面，形成电子耗尽层。NO 气体与表面的氧离子发生反应，生成吸附态的 NO?和 NO2? ，这些物质在缺陷的影响下分解和脱附。IPIB 辐照促进了电子 - 空穴对的复合，产生更多活性氧物种，增强了气敏性能。
综合上述研究，IPIB 辐照技术能够显著改善 TZO 纳米结构的表面形态和晶体结构，增加粗糙度、孔隙率、晶格缺陷和氧空位，从而大幅提升对 NO 气体的灵敏度和选择性。在稳定性测试中，iTZO 传感器在一年内保持了较高的灵敏度，降解程度较小。这一研究成果为基于 MOS 的气体传感器性能提升提供了新的有效途径，在环境监测、工业废气检测等领域具有广阔的应用前景。同时，也为后续进一步研究离子束技术在气体传感器材料优化方面提供了重要的参考，推动着气体传感器技术朝着更高效、更灵敏的方向发展。
