钪掺杂增强SrCoOx FET传感器性能：面向高碱性环境的pH传感机制与设计优化

本研究针对高碱性环境中传统pH传感器响应慢、稳定性差的问题，通过Sc掺杂调控SrCoOx的氧空位形成能与立方相稳定性，结合DFT计算与实验验证（XRD/XPS/循环伏安法），开发出响应时间缩短至60秒的5 mol% Sc掺杂FET传感器，为工业废水监测等碱性环境传感提供新材料设计范式。

　　

在工业废水处理、化工生产等领域，高碱性环境（如浓NaOH溶液）的实时监测一直面临技术挑战。传统pH传感器在强碱条件下易出现响应延迟、信号漂移等问题，其核心瓶颈在于敏感材料的氧离子传输效率与结构稳定性。SrCoO_x虽具有钙钛矿结构优势，但纯相材料在碱性介质中氧空位调控能力有限。如何通过原子级掺杂优化其电子结构与离子传输路径，成为突破碱性传感技术的关键科学问题。

针对这一挑战，天津理工大学的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表研究，创新性地采用钪（Sc）掺杂策略调控SrCoO_x场效应晶体管（FET）传感器的性能。通过溶胶-凝胶法合成系列Sc掺杂样品（0-10 mol%），结合X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）证实Sc³⁺成功掺入晶格并稳定立方相。电化学测试显示，5 mol% Sc掺杂使传感器在1 M NaOH中的响应时间从纯相的>120秒缩短至60秒，且经50次循环后信号衰减<5%。密度泛函理论（DFT）计算揭示Sc-O-Co位点氧空位形成能提高0.8 eV，显著增强材料在碱性介质中的结构稳定性。

主要技术方法
研究采用溶胶-凝胶法合成Sc掺杂SrCoO_x粉末，通过两段式煅烧（400°C预烧+900°C终烧）获得钙钛矿相。采用循环伏安法评估电化学活性，XPS分析氧空位浓度变化。FET传感器采用微加工工艺制备栅极敏感层。DFT计算使用VASP软件包，设置Sc掺杂超胞模型计算氧迁移能垒与电子态密度。

Synthesis of SrCoO_x Powder
通过硝酸盐-柠檬酸体系制备前驱体，Sc(NO₃)₃/Co(NO₃)₂/Sr(NO₂)₂按化学计量比混合，乙二醇为交联剂形成紫色凝胶。热重分析显示900°C煅烧后形成单一立方相，Sc掺杂抑制了常见的六方相杂质。

Results and Discussion
电化学门控机制研究表明，Sc掺杂促进O^2-沿<100>晶向扩散，迁移能垒降低0.3 eV。XPS的Co 2p_3/2峰向低结合能偏移1.1 eV，证实Sc引入导致Co³⁺/Co⁴⁺比率优化。选择性测试显示，5 mol% Sc掺杂样品对OH^-的灵敏度达58 mV/pH，对Cl^-/SO₄^2-的干扰响应<5%。

Conclusion
该研究证实5 mol% Sc掺杂通过三重作用机制提升性能：①稳定立方相抑制结构畸变；②提高Sc-O-Co位点氧空位形成能（2.7 eV→3.5 eV）；③优化Co价态分布增强电子传导。DFT计算的态密度显示Sc 3d轨道在费米能级附近引入新电子态，促进界面电荷转移。这一工作为碱性环境传感材料设计提供了"掺杂-结构-性能"的完整调控范式。

重要意义
该传感器在碱法制浆、氯碱工业等场景具有应用潜力，其DFT指导的材料设计方法可拓展至其他过渡金属氧化物传感体系。Wencheng Song团队获得的国家自然科学基金（21501132）和天津市自然科学基金（20JCZDJC00280）支持，凸显该研究的国家战略需求导向。