基于局域表面等离子体共振效应的In2O3纳米立方体室温光辅助气体传感器研究

为解决半导体气体传感器普遍存在的灵敏度低、工作温度高、选择性差等问题，天津大学研究人员通过贵金属修饰In2O3纳米立方体，创新性提出局域表面等离子体共振（LSPR）效应与光电效应协同机制，实现了室温自然光下高选择性甲醛检测，并首次揭示敏感材料导带边缘能级是选择性的关键影响因素。该成果为开发节能型高性能气体传感器提供了新策略。

　　

随着工业发展导致有毒气体排放增加，传统半导体气体传感器面临两大技术瓶颈：一是需要高温工作（通常200-400°C）导致能耗高，二是高温环境下化学反应活性增强导致选择性下降。尽管光辅助传感技术能降低能耗，但宽禁带半导体仅能利用太阳光谱中5%的紫外光，且电子-空穴复合率高。更关键的是，影响选择性的核心因素始终未有定论。

天津大学精密仪器与光电子工程学院的研究团队独辟蹊径，通过贵金属纳米粒子的局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR）效应突破这一困境。他们设计出金/银修饰的In₂O₃纳米立方体传感器，在《Journal of Colloid and Interface Science》发表的研究中首次揭示：LSPR效应产生的热电子能有效穿越金属-半导体肖特基结进入In₂O₃导带，相比光电效应电子可降低复合率达30%；更重要的是，创新性发现敏感材料导带边缘能级是决定选择性的关键因素——当目标气体分子最低未占据分子轨道（LUMO）能级与材料导带边缘匹配时，选择性提升5倍以上。

研究采用水热法合成In₂O₃纳米立方体基底，通过共沉淀法负载1wt% Ag/Au纳米颗粒。利用X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）确认了立方体形貌与金属分散度，紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）证实LSPR效应将光响应范围拓展至可见光区。通过构建不同波长（365nm/520nm/白光）光照条件下的气敏测试平台，结合密度泛函理论（DFT）计算，系统解析了电子来源差异对性能的影响机制。

关键发现包括：

1. 形貌与结构表征：XRD显示所有样品均呈现立方相In₂O₃特征峰（2θ=21.3°、30.2°），Ag/Au负载未改变晶体结构但使（222）晶面间距扩大0.02nm，TEM证实5-10nm金属颗粒均匀分散在50nm立方体表面。

2. LSPR效应机制：520nm光照射下，Ag-In₂O₃对100ppm甲醛响应值达47（是纯In₂O₃的8倍），DFT计算表明金属纳米粒子产生的热电子注入使导带电子浓度提升2个数量级，同时将电子-空穴复合率从78%降至48%。

3. 选择性新理论：对比甲醇/丙酮/苯等干扰气体，发现当气体分子LUMO能级与材料导带边缘差值小于0.5eV时，选择性系数提高3-5倍。例如甲醛LUMO（-1.8eV）与In₂O₃导带（-2.3eV）的0.5eV差值使其在混合气体中识别度达92%。

4. 实际应用验证：在白光LED模拟太阳光下，Au-In₂O₃传感器对1ppm甲醛的响应时间为18秒，且湿度从30%升至90%时信号波动小于5%，满足实际环境监测需求。

这项研究不仅建立了LSPR效应增强气敏性能的电子传递模型，更开创性地提出"能级匹配"选择性调控理论。通过将工作温度从传统200°C降至室温，功耗降低90%的同时灵敏度提升近10倍，为发展新一代节能智能传感器提供了重要理论基础。该成果对大气污染物监测、工业安全预警等领域具有重大应用价值，相关能级设计理念还可拓展至其他半导体敏感材料体系。