综述：基于纳米结构金属氧化物半导体的化学电阻式甲烷气体传感器研究进展

这篇综述系统阐述了纳米结构金属氧化物半导体（MOS）在甲烷（CH4）气体传感领域的应用进展，重点分析了表面电阻控制、化学敏化（Chemical Sensitization）和电子敏化（Electronic Sensitization）三大增强机制，并提出通过形貌调控、贵金属功能化、异质结构建和紫外光激发（UV）四种策略优化SnO2/ZnO/In2O3等材料的灵敏度与选择性，为工业安全及家庭监测提供技术支撑。

　　

甲烷气体传感的MOS机制

金属氧化物半导体（MOS）根据载流子类型分为n型（电子主导）和p型（空穴主导）。其传感核心是氧吸附-脱附模型：在空气中，MOS表面吸附O₂^–形成电子耗尽层；当接触CH₄时，甲烷与吸附氧反应释放电子，改变材料电阻。n型MOS（如SnO₂、ZnO）因高电子迁移率和稳定性成为研究主流。

经典甲烷敏感材料

SnO₂因其优异的表面氧活性被广泛使用，而In₂O₃通过Cd掺杂可将选择性提升3倍（选择性系数5.69），响应/恢复时间缩短至16秒/142秒。WO₃和VO₂则因特殊晶格结构对低浓度CH₄表现灵敏。

形貌调控策略

通过构建多孔结构或纳米线/片增大比表面积，可加速气体扩散并富集氧空位。密度泛函理论表明，氧空位能降低CH₄活化的吉布斯自由能，例如三维分级SnO₂微球使响应值提升8倍。

贵金属功能化

铂（Pt）或钯（Pd）负载通过化学敏化机制催化CH₄分解为–CH₃和H⁺，促进表面反应。Au纳米颗粒则通过电子敏化效应改变MOS费米能级，使Pd/SnO₂传感器在160°C下响应值达32.5（纯SnO₂仅2.1）。

异质结构建

p-n结（如NiO/SnO₂）通过界面能带弯曲增强电荷分离效率，而n-n结（In₂O₃/WO₃）利用协同效应使灵敏度提高12倍。

紫外光激发

UV辐射替代热激发可实现室温检测，其光子能量（如365 nm紫外光≈3.4 eV）能激发MOS价带电子，同时光催化作用促进CH₄氧化，使ZnO纳米线响应速度提升3倍。

柔性穿戴与AI融合

聚酰亚胺基底上的柔性传感器可贴合曲面，而机器学习算法通过分析多维数据（如响应/恢复曲线）解决交叉干扰问题，使MOS阵列对CH₄识别准确率达94%。

未来展望

当前研究需进一步平衡灵敏度与功耗，开发室温稳定工作的材料体系，并推动柔性器件与物联网技术的深度集成。