综述：单根纳米线电阻式气体传感器：综述

《Micro and Nanostructures》：Single Nanowire Resistive Gas Sensors: A Review

单纳米线气体传感器通过高比表面积和低功耗设计提升性能，当直径接近德拜长度时电阻显著调制，增强灵敏度。研究系统综述了SnO?、ZnO、CeO?、Fe?O?及聚合物单NW传感器的制备与特性，指出WO?和CP领域实验不足，并强调垂直生长法（VLS）的优越性。

　　

M. Hjiri|Fatemah M. Barakat|G. Neri

沙特阿拉伯利雅得伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）理学院物理系，邮编11623

摘要

在电阻式气体传感器中，材料的形态是一个关键因素，因为较大的表面积可以为气体分子提供更多的吸附位点，从而提高传感响应。纳米线（NWs）是指直径在1-100纳米范围内、长宽比大于20的纳米结构材料。具有高表面积、高结晶度且易于合成的纳米线是电阻式气体传感器中最理想的形态之一。然而，关于单根纳米线气体传感器的研究报道较少。尺寸极小且表面积高的单根纳米线气体传感器可以显著降低功耗。此外，当纳米线的直径与德拜长度相当时，电阻会发生变化，从而产生强烈的传感信号。在这篇综述中，我们详细解释了单根纳米线气体传感器的特性。我们认为，本文的内容对于从事这一领域研究的人员非常有用。

章节摘录

纳米线（NWs）及其合成方法简介

纳米线（NWs）的直径范围为1–100纳米，长宽比大于20 [1]。半导体纳米线具有可变的电阻，可用于制造柔性电子设备 [2]、可打印电子设备 [3]、光子器件 [4] 和气体传感器 [5] [6]。半导体纳米线可以通过自上而下或自下而上的方法制备。在自上而下的方法中，它们通过光刻、蚀刻、掺杂和沉积等工艺在块体材料表面形成。

空气污染和有毒气体

如今，空气污染是全球主要的死亡原因之一 [11]。空气污染的主要来源包括直径小于2.5微米和小于10微米的颗粒物、铅（Pb）和黑碳等固体颗粒，以及二氧化氮（NO₂）、一氧化碳（CO）、臭氧（O₃）和二氧化硫（SO_x）等气体 [12], [13]。空气污染对人类健康有害 [14]。当二氧化氮（NO₂）释放到大气中时，会与水蒸气反应生成酸雨和颗粒物。

电阻式气体传感器

气体传感器是一种用于检测周围空气中各种气体类型和浓度的电子设备。通过改变其参数（如电阻、电容或光学性质），它们可以检测气体的存在 [30]。光学 [31]、电化学 [32]、表面声波 [33]、催化燃烧 [34] 和电阻 [35] 气体传感器被广泛用于气体检测。这些传感器因其出色的稳定性、快速响应和高效性能而受到重视。

SnO₂ 单根纳米线气体传感器

由于SnO₂基传感器具有较高的电子迁移率和优异的传感性能 [53], [54], [55]，SnO₂纳米线是应用最广泛的气体传感器之一。在本节中，我们将详细讨论单根纳米线气体传感器的相关内容。

当使用多根纳米线气体传感器时，很难明确纳米线直径与气体响应之间的关系，因为存在不同直径的纳米线，且响应值是基于纳米线的平均直径计算的。此外，使用单晶纳米线时

ZnO 单根纳米线气体传感器

ZnO纳米线也是制造气体传感器的常用材料，因为它们无毒、易于合成、稳定性高且电子迁移率高 [63], [64], [65]。通常会在电阻式气体传感器的表面沉积贵金属，利用贵金属的催化和电子敏化作用来提高选择性和灵敏度以及检测温度 [66], [67]。然而，关于贵金属尺寸对传感器性能影响的研究较少。

CeO₂ 单根纳米线气体传感器

CeO₂是一种半导体金属氧化物，由于含有大量的氧空位以及Ce³⁺和Ce⁴⁺之间的低氧化还原电位，因此具有很强的氧吸附能力。因此，它被广泛用于减少有毒气体（如CO、NO_x和碳氢化合物）的排放 [82]。同时，它也被用于气体传感研究 [83]。不过，关于单根CeO₂纳米线传感器的研究发表较少。Liao等人 [84] 提出了一种制备方法。

Fe₂O₃ 单根纳米线气体传感器

Fe₂O₃是一种n型气体传感器，具有无毒性、易于合成和价格低廉等优点 [85]，因此被用于气体检测 [86]。然而，关于单根Fe₂O₃纳米线传感器的研究还不够充分。Lupan等人 [87] 报告了在255°C下通过氧化金属“Fe”制备的Fe₂O₃纳米线网络的气体传感性能。

WO₃ 单根纳米线气体传感器

目前尚无关于单根WO₃纳米线气体传感器的实验研究。不过，Yang等人 [88] 从理论上证明了单根WO₃纳米线（无论是否存在氧空位）对H₂S气体都具有高灵敏度。

CP单根纳米线气体传感器

具有高导电性和易于加工特性的CPs是制造气体传感器的最有前景的材料之一 [38], [89]。例如，Gu等人 [90] 使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）单根纳米线制备了光学气体传感器。Hernandez等人 [91] 通过化学聚合方法制备了直径为300纳米、长度为50至60微米的聚吡咯（ppy）纳米线，并将其用于室温下的NH₃气体检测，检测结果较为理想。

结论与未来展望

本文简要讨论了单根纳米线电阻式气体传感器的特性。纳米线可以通过多种方法轻松制备，其中VLS生长技术因其简单性、良好的生长参数控制能力和高产率而备受青睐。单根纳米线气体传感器通常由金属氧化物半导体制成，通过将一根纳米线连接到绝缘基板上的两个电极上来实现。这一过程相对较为复杂。

CRediT作者贡献声明

Mokhtar Hjiri：撰写 – 综述与编辑；撰写 – 原稿。G. Neri：指导。Fatemah M. Barakat：方法论设计

未引用的参考文献

[68]; [69]。

资金支持声明

本研究得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科研处的支持与资助（项目编号：IMSIU-DDRSP2502）。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。