基于FeWO?/Bi?S?异质结的高性能湿度传感器，适用于多种场景应用

《Applied Surface Science》：High-performance humidity sensors based on FeWO 4/Bi 2S 3 heterojunction for multi-scenario applications

　　

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  FeWO₄/Bi₄S₃首次被用作湿度传感器。
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  在室温下，该传感器的响应值为439。
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  该传感器具有出色的重复性、稳定性和宽范围的湿度检测能力。
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  该传感器能够监测呼吸状态、手势识别和人类语音。

引言

湿度监测是一项至关重要的核心技术，广泛应用于工业过程控制、食品安全保障、环境监管、精准农业、物联网（IoT）传感网络和人类健康评估等多个领域[1]。随着可穿戴电子设备和先进功能技术的普及，对于能够实时监测且具有极高灵敏度和快速响应特性的柔性湿度传感器的需求日益增长[2], [3]。这类设备的运作机制通常依赖于湿度敏感薄膜中的电阻、电容或阻抗等电参数随环境水蒸气浓度变化的调节。在各种转换机制中，化学电阻式湿度传感器因其结构简单、易于集成和信号处理便捷等固有优势而受到广泛研究[4]。然而，设计制造出同时具备超高灵敏度、快速响应与恢复特性以及优异长期稳定性的新型高性能湿度敏感材料，仍是推动该领域发展以满足日益多样化和严格的应用需求的核心挑战。

过渡金属钨酸盐是一类具有多重功能的无机材料，在光催化[5]、电化学储能[6]和化学传感[7]方面具有巨大潜力，这归因于它们独特的物理化学性质和稳定的晶体结构。其中，亚铁钨酸盐（FeWO₄）作为一类功能材料表现出优异的电化学活性和结构稳定性[8]。尽管如此，纯FeWO₄材料在湿度传感应用中存在先天局限性，主要源于其比表面积小和表面活性位点不足，这些因素导致其水分子吸附能力不佳，从而无法满足高要求的环境下的传感需求[9]。

为克服这些内在局限，通过将FeWO₄与互补半导体 phases 复合构建异质结构是一种非常有效的策略。这样的复合系统不仅能够调节能带结构，还能生成丰富的界面活性位点。此外，界面内置的电场有助于显著改善载流子分离和传输动态，从而全面提升湿度传感性能[10], [11], [12], [13], [14]。硫化铋（Bi₂S₃）是一种典型的金属硫属半导体，具有窄带隙（约1.3–1.7 eV），具有较高的载流子迁移率和良好的化学稳定性[15]。这些优点使基于Bi₂S₃的材料在氢储存[16]、光伏能量转换[17]、光检测[18]和化学传感平台[19]等技术领域具有巨大潜力。先前的研究（如Afsar等人[20]通过液固相反应制备正交相Bi₂S₃纳米带用于湿度检测的工作）表明，该材料对相对湿度（RH）具有线性响应，响应速度快（8–10秒），恢复时间也快（15秒）。此外，Bi₂S₃与FeWO₄之间的能带边对齐为构建高效异质结构提供了有利基础[21]。由此产生的异质结构不仅能够显著增加有效比表面积，提供更多的水分子吸附位点，还能通过界面电荷重新分布过程优化表面导电性和反应性[22], [23], [24]。这种界面工程为实现具有增强性能指标的下一代湿度传感器提供了有力途径。

尽管前景广阔，但针对湿度传感专门优化的FeWO₄/Bi₂S₃异质结构的系统研究仍然较少，尤其是在健康监测应用方面的研究更为匮乏。因此，本研究旨在探索基于FeWO₄/Bi₂S₃的湿度传感器超越传统材料的潜力，以实现多种检测场景下的稳健性能。

在本研究中，通过两步溶胶热法成功合成了FeWO₄/Bi₂S₃异质结构，并将其集成到湿度传感器中。在室温条件下对其性能指标（包括响应幅度、响应/恢复动力学、重复性、长期稳定性和湿度滞后特性）进行了严格评估。为深入了解其转换机制，使用密度泛函理论（DFT）从原子层面分析了水分子在复合异质界面上的吸附行为。最后进行了一系列应用验证，包括呼吸状态监测、非接触式手势识别和语音信号检测。这些实验结果初步证明了开发的FeWO₄/Bi₂S₃传感器在新兴的非接触式医疗和人机交互平台中的巨大潜力。

章节片段

化学物质和试剂

所有试剂均购自商业渠道，未经进一步纯化。实验中使用的化学试剂和原材料如下：五水合硝酸铋（Bi(NO₃)₃·5H₂O）、七水合硫酸亚铁（FeSO₄·7H₂O）和无水乙醇购自上海麦克莱恩生化技术有限公司；二水合钨酸钠（Na₂WO₄·2H₂O）、磺胺脲（99%）和乙二醇（98%）购自上海阿拉丁生化技术有限公司。

样品表征

为了研究晶体相组成和结构，对合成的样品进行了X射线衍射（XRD）分析。纯Bi₂S₃的所有衍射峰均与标准卡片（JCPDS 84-0279）一致，分别在22.383°、24.922°、25.003°、28.641°和31.812°处出现特征峰，这些峰对应于Bi₂S₃正交晶系的（0?2?2）和（0?1?3）平面。此外还观察到了（1?1?1）、（1?2?1）和（1?2?2）晶面[26], [27]。

结论

本研究采用简便的溶胶热法成功合成了不同质量比的FeWO₄/Bi₂S₃异质结构，并精心制备了相应的湿度传感器。实验结果表明，优化的FB-10传感器在95%相对湿度（RH）下表现出出色的响应性能，响应值高达439。此外，这些传感器在综合性能上也表现出色。

CRediT作者贡献声明

Dongze Wei：负责初稿撰写、软件开发、实验设计、数据分析与整理。Xiaobei Xu：负责初稿撰写、软件开发、方法设计、实验设计、数据分析与整理。Zhihua Zhao：负责审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、结果验证、项目监督、资源协调、方法设计、实验设计、资金申请、数据分析与整理、概念构思。

[46], [47], [48]。

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

本研究得到了河南理工大学高层次人才基金（2024BS026）的支持。

Dongze Wei|Xiaobei Xu|Zhihua Zhao