基于β-Ga2O3微晶的λ探针传感器：高温相变诱导的高灵敏度氧传感机制研究

研究人员通过热退火处理κ-Ga2O3外延膜制备β-Ga2O3微晶，开发出高性能λ探针传感器。该材料在650°C下对5 vol% O2响应达11.33，且具备优异的循环稳定性和湿度不敏感性，为内燃机尾气监测提供了新解决方案。

　　

随着全球环保法规日益严格，内燃机尾气实时监测技术面临重大挑战。传统λ探针依赖TiO₂基传感器，但其性能提升遭遇瓶颈。俄罗斯科学基金会资助的研究团队另辟蹊径，从氧化镓（Ga₂O₃）材料的多晶相变特性入手，开辟了高温气体传感新路径。

托木斯克国立大学微电子先进技术研发中心的Aleksei V. Almaev团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表突破性成果。他们创新性地利用卤化物气相外延（HVPE）技术制备κ-Ga₂O₃外延膜，通过1000°C热退火诱导固相转变，成功自组装形成4-12μm的β-Ga₂O₃微晶。这种独特的微结构展现出11.33的氧响应值（650°C下对5 vol% O₂），远超传统外延薄膜性能。

研究采用三项关键技术：HVPE外延生长κ-Ga₂O₃薄膜、1000°C空气退火诱导β相转变、Pt叉指电极制备。通过XRD证实相变过程，SEM观测微晶形貌，四探针法测试电导率变化，最终在定制气体测试系统中评估传感性能。

【结构表征】XRD显示退火后（-201）晶面衍射峰增强，证实β相形成。光学显微镜揭示微晶呈规则几何形状，尺寸分布均匀。

【气敏特性】在650°C最佳工作温度下，微晶对1 ppm NO和1 vol% CO₂响应分别达1.7和10.4。特别值得注意的是，在8-70%湿度范围内性能波动小于5%，且电压极性显著影响响应值。

【机制讨论】研究人员提出"双相协同"模型：β相微晶提供高导电通道，残余κ相界面增强气体吸附。Pt电极的催化作用进一步促进氧分子解离，这种独特组合使材料在λ=1附近（0.9-10 vol% O₂）具有0.01 vol%检测限。

该研究不仅为λ探针提供了性能更优的敏感材料，更开创了通过可控相变设计金属氧化物传感器的研究范式。β-Ga₂O₃微晶的电压极性依赖特性，为开发新型双模式传感器奠定了理论基础。未来通过掺杂优化和阵列集成，这类材料有望在工业排放监测领域实现更广泛应用。