室温下增强氨气传感性能的 ZnO/MnO2异质结构构建：突破与创新

氨气（NH3）监测意义重大，但现有金属氧化物半导体气体传感器存在缺陷。研究人员合成 ZnO/MnO2异质结构并探究其室温下氨气传感性能。结果显示，该结构显著提升传感性能，缩短响应 / 恢复时间。为气体传感器发展提供新方向。

　　在如今的环境监测和工业生产领域，氨气（NH₃）的监测至关重要。氨气是空气中最为丰富的碱性气体，它对植物和农作物的生长有着促进作用，可一旦排放过量，就会引发一系列环境问题，比如促使颗粒物形成，加剧环境酸化。而且，氨气还会与水发生强烈反应，直接威胁人体的呼吸系统、眼睛和皮肤健康，它还是诊断肺部和肾脏疾病的重要生物标志物。美国国家职业安全与健康研究所（NIOSH）明确规定，8 小时内氨气暴露阈值为 25ppm，15 分钟短期暴露阈值为 35ppm ，在农业活动密集地区，氨气浓度甚至可能超过 10ppm。所以，无论是在工业生产中，还是农业活动里，对氨气进行早期精准检测都是必不可少的。

目前，金属氧化物半导体凭借其灵敏度高、检测范围广、制备简单和成本低等优势，被广泛应用于电阻式气体传感器中。不过，这类传感器通常需要在较高温度下才能达到最佳性能，可高温不仅会缩短传感器的使用寿命，降低检测效率，还会限制可检测气体的种类。氧化锌（ZnO）作为一种 n 型金属氧化物半导体，虽然具有宽带隙、出色的电磁特性、高载流子迁移率以及良好的物理化学稳定性，在气体传感领域备受关注，但在实际应用中，基于 ZnO 的传感器也面临诸多挑战，比如需要高工作温度、灵敏度较低、选择性差，以及响应和恢复时间过长等问题。

为了解决这些难题，国内研究人员开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《Applied Surface Science》上。研究人员聚焦于合成 ZnO/MnO₂复合材料，并深入探究其在室温（RT）下对氨气的传感性能。

在研究过程中，研究人员采用了多种关键技术方法。首先是水热法，利用该方法能够在相对较低的温度下精确控制纳米结构的形态，同时避免使用有毒有机溶剂。之后，通过在马弗炉中退火处理，进一步消除残留杂质，优化异质结界面，增强材料的结晶度。此外，还运用了实验表征技术，如 X 射线光电子能谱（XPS）、比表面积分析（BET）、紫外 - 可见光谱（UV-Vis）等，以及第一性原理计算（DFT）模拟，从实验和理论两方面深入研究材料性能。

研究结果主要通过以下几个方面呈现：

• 结构和组成分析：通过 X 射线衍射（XRD）光谱分析，确定了合成的 ZnO、MnO₂以及 ZnO/MnO₂异质结构的相组成。在 ZnO 的 XRD 图谱中，2θ 值为 31.8°、34.5°、36.3°、47.6°、56.7°、63.0°、66.5°、68.1° 和 69.2° 的衍射峰，分别对应六方纤锌矿相 ZnO（PDF# 75 - 0576）的（100）、（002）、（101）、（102）、（110）、（103）、（200）、（112）和（201）晶面 ，空间群为 P63mc；同时也检测到了四方相 MnO₂（PDF# 44 - 0141），空间群为 I4/m。这表明成功制备出了目标异质结构材料。
• 传感性能测试：研究发现，精心设计的 ZnO/MnO₂异质结构显著提升了室温下对氨气的气敏性能。其中，ZM3 传感器表现尤为突出，其响应 / 恢复时间分别缩短至 6 秒和 3 秒，相比传统金属氧化物传感器（通常需要几分钟），速度提升了几个数量级。而且，该复合结构（ZM3 样品）优化了带隙，从纯 ZnO 的 3.11eV 降至 2.94eV，对氨气展现出最高的响应和选择性，其响应比 ZM1 高出 28 倍以上。
• 传感机制探究：气敏过程主要是基于表面的现象，其主要机制是气体吸附和脱附导致传感器电阻发生变化。当具有不同带隙和功函数的两种金属氧化物接触时，电子会从一种氧化物迁移到另一种氧化物，在界面处形成耗尽层，这对传感器的功能起着关键作用。研究人员通过第一性原理计算，分析了态密度、静电势、电荷转移、布居分析以及传感材料与氨分子之间的吸附能，从而深入阐释了潜在的传感机制。

研究结论表明，该研究成功开发出一种基于 ZnO/MnO₂异质结构的高性能室温氨气传感器。这种传感器在优化带隙、提高响应和选择性以及缩短响应 / 恢复时间等方面表现卓越，极大地增强了其实际应用价值。这一研究成果为气体传感器领域开辟了新的方向，建立了一个结合形态工程（2D/1D 异质结构）和多尺度建模（DFT 指导的界面优化）的标准化框架，有望应用于其他金属氧化物体系，用于检测特定的分析物，为未来环境监测、工业生产安全以及生物医学诊断等领域的气体检测技术发展提供了重要的理论和实践基础。