锑掺杂氮化镓薄膜的双靶共溅射制备及其暗环境下室温NO2气体传感性能研究

为解决金属氧化物半导体气体传感器在高温、高湿及暗环境下性能受限的问题，中国科学院研究人员通过物理气相沉积(PVD)技术制备了锑掺杂氮化镓(Sb-GaN)薄膜传感器。该传感器在室温(25°C)暗环境中对10 ppm NO2表现出5.8的高响应值，检测限低至1.64 ppb，且具备优异的湿度稳定性和红光加速恢复特性，为极端环境气体监测提供了新方案。

　　

氮氧化物(NO_x)污染监测和工业安全预警亟需能在极端环境下工作的气体传感器，但传统金属氧化物材料如SnO₂和WO₃存在工作温度高、湿度敏感等问题，尤其在黑暗环境中性能显著下降。第三代半导体材料氮化镓(GaN)因其宽禁带(3.4 eV)和强化学稳定性成为理想候选，但纯GaN室温传感活性不足。针对这一挑战，中国科学院团队创新性地采用双靶共溅射物理气相沉积(PVD)技术，通过锑(Sb)掺杂调控GaN薄膜的电子结构和表面活性位点，成功开发出适用于黑暗环境的室温NO_{2传感器。}

研究团队通过调节溅射功率控制Sb掺杂浓度，利用X射线光电子能谱(XPS)和扫描电镜(SEM)证实了Sb³⁺成功取代Ga³⁺晶格位点并形成均匀薄膜。电化学测试表明，优化后的Sb-GaN-3薄膜在无光照条件下对10 ppm NO₂的响应值达5.8，响应/恢复时间为185/750秒，且能在1.64 ppb超低浓度实现检测。特别值得注意的是，该传感器在85%高湿环境中仍保持稳定性能，而红光照射可将恢复时间缩短40%。相关成果发表于《Surfaces and Interfaces》，为航空航天、矿井作业等黑暗环境气体监测提供了突破性解决方案。

关键技术包括：1) 多靶磁控溅射实现Sb元素可控掺杂；2) 450°C退火处理优化薄膜结晶度；3) XPS分析表面化学状态；4) 搭建光调控气敏测试系统；5) 第一性原理计算阐明Sb掺杂增强机制。

【Morphology and structure】部分显示，SEM观察到Sb-GaN-3薄膜表面平滑，元素分布均匀，Sb掺杂量达21.02 at%。XPS证实Sb³⁺取代导致Ga-N键能偏移0.3 eV，产生大量氧空位缺陷。

【Conclusion】指出Sb掺杂引入的缺陷结构作为活性位点显著提升NO₂吸附能力，红光(620 nm)通过激发电子跃迁加速脱附过程。传感器在10天内性能衰减12%，主要归因于表面氧离子残留。

该研究首次实现GaN基材料在黑暗环境下的室温NO₂高敏检测，突破传统传感器对光/热条件的依赖。通过物理掺杂构建的Sb-GaN薄膜兼具3.4 eV宽禁带优势和掺杂诱导的缺陷活性，为开发耐极端环境传感材料提供新范式。作者建议后续可通过贵金属修饰进一步提升抗湿性，推动其在工业密封设备等特殊场景的应用。