锰掺杂TiO2/TiO2同质结双层结构在室温NO2传感中的性能突破与机制解析

针对半导体材料气体传感性能提升的瓶颈问题，研究人员通过两步水热法制备Mn掺杂TiO2/TiO2同质结双层薄膜，首次实现室温下对NO2的高响应值（23.3）、快速响应（5秒）及优异稳定性。通过背靠背偏压、反向偏压和正向偏压测试，直接证实同质结结构对传感性能的协同贡献，为半导体气体传感器设计提供新范式。

　　

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论文解读

在环境监测和工业安全领域，氮氧化物(NO₂)的实时检测至关重要，但现有传感器普遍面临工作温度高、响应速度慢等挑战。传统TiO₂基传感器虽具有化学稳定性优势，但其高电阻特性严重制约性能。尽管异质结构建和p型掺杂（如Cr³⁺、Al³⁺）策略能部分改善性能，但异质结的晶格失配和掺杂剂的催化活性不足仍是瓶颈。湖北大学的研究团队创新性地提出锰(Mn)掺杂TiO₂同质结设计，通过《Sensors and Actuators B: Chemical》发表的研究，首次实现室温下高灵敏、快速响应的NO₂检测，并揭示多层结的协同作用机制。

研究采用两步水热法关键技术：① 调控HCl/乙醇/水比例制备底层TiO₂薄膜；② Mn掺杂优化顶层薄膜的p型导电性；③ 通过X射线衍射(XRD)和电化学测试验证同质结结构；④ 设计三电极系统测试不同偏压模式下的传感性能。

实验结果

1. 材料表征：XRD显示Mn-TiO₂/TiO₂呈现锐钛矿与金红石混相结构，Mn²⁺掺杂诱导中间能带，显著提升空穴迁移率。
2. 传感性能：在背靠背偏压模式下，对10 ppm NO₂的响应值达23.3，响应时间仅5秒，恢复时间238秒，优于反向偏压（主贡献源）和正向偏压模式。
3. 机制解析：能带计算表明NO₂吸附导致势垒高度变化，Mn的低温催化活性与同质结的连续能带弯曲协同促进电荷分离。

结论与意义
该研究通过Mn-TiO₂/TiO₂同质结设计，突破室温NO₂传感的性能极限：① 锰掺杂实现稳定p型导电并引入催化活性位点；② 同质结的多界面协同作用通过偏压调控得以量化；③ 为半导体传感器能带工程提供普适性策略。研究成果对开发新一代低功耗环境监测设备具有重要指导价值，其方法论可扩展至其他气敏材料体系。