稀土在不同维度化学电阻型半导体气体传感器中的应用：综述

《Materials Today Chemistry》：Application of rare earths in different dimensional chemiresistive semiconductor gas sensors: A review

　　

• 首次全面综述稀土改变化学电阻式气体传感器。
• 探讨了化学电阻式气体传感器的维度优势。
• 呈现了稀土在气体传感领域的发展趋势。
• 提出了一种提升化学电阻式气体传感器性能的策略。
• 从应用驱动的角度提供了见解与未来传感器设计策略。

引言

随着科技的发展，环境质量与安全保障引起了广泛关注[1][2][3]。特别是汽车、农业和工业过程中排放的可燃、易爆、有毒和有害气体对人类健康构成了严重威胁[4][5]。气体传感器是有害气体检测技术的重要组成部分，传感技术正日益受到重视[6]。气体传感器是将采集到的信息转换为电信号进行输出的装置，是传感技术中的关键部件[7]。传统气体传感器工作温度高、检测限高、响应时间长，导致对有害气体的监测效率不足[8][9][10]。因此，开发高性能气体传感器对于保障人民安全具有重要意义。根据现有报道，典型气体传感器可分为五类：半导体传感器、固体电解质传感器、接触燃烧式传感器、电化学传感器和光学传感器[11][12]。半导体传感器进一步分为电阻型半导体气体传感器和非电阻型半导体气体传感器。作为电阻型半导体气体传感器的重要组成部分，化学电阻式半导体气体传感器因其灵敏度高、响应快、体积小、重量轻和易于制备等优势而备受关注[12][13][14]。传统的化学电阻式半导体气体传感器无法满足现代社会更严格的要求[15]。因此，已有多种方法被报道用于增强化学电阻式半导体气体传感器的气敏性能，包括掺杂稀土离子、掺杂贵金属元素、负载石墨烯和构建异质结等[16][17][18][19][20]。

半导体的微观结构在决定化学电阻式传感器的气敏性能方面起着至关重要的作用。这种影响主要来自两个相互关联的方面：比表面积/活性位点和维度结构。一般来说，更高的比表面积为目标气体吸附提供更多活性位点，直接增强传感响应。然而，即使在比表面积相当的情况下，维度结构也能从根本上改变电荷传输路径和耗尽层调制，从而导致显著不同的传感行为。例如，Bi等人[21]通过简便的水热方法，仅通过调节温度和pH值，成功合成了均匀的CeO₂纳米多面体、纳米棒和纳米立方体单晶体。重要的是，该研究将形貌效应与特征尺寸和比表面积的影响解耦，明确证实仅通过维度形貌即可有效调控气敏性能。鉴于形貌和维度性的关键作用，本综述将化学电阻式半导体按零维（0D）、一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）结构进行分类，系统讨论各自的传感机制和构效关系。

为进一步增强化学电阻式半导体气体传感器的传感性能，近年来稀土元素已进入气体传感领域。稀土元素由镧系元素（从镧到镥）加上钇和钪组成，共17个元素[22]。稀土离子的独特性质主要源于其部分填充的4f轨道，从而产生丰富的能级结构和特征电子跃迁[23]。这些特性赋予稀土离子卓越的光学、磁性和催化行为，使其在气体传感、光学、生物医学和冶金等领域得到广泛应用[24][25]。稀土元素通过两种主要途径广泛应用于气体传感：（i）作为稀土氧化物或复合氧化物的固有成分，构建传感基体或异质结；（ii）作为半导体材料中的掺杂剂。由于其独特的4f电子构型，稀土离子可通过引入氧空位、调控能带结构和提供可变价态来实现电荷捕获与转移，从而调节半导体的电子和表面性质。这些协同效应促进了电荷载流子的分离，抑制了电子-空穴复合，增强了表面反应活性，最终提高了气敏性能。

在以往的综述中，主要关注稀土在半导体中的应用（电池、超级电容器和质子交换膜）或不同类型气体传感器（电化学传感器、光学传感器和质量传感器）。因此，对稀土应用于不同维度化学电阻式半导体气体传感器的全面综述是必要的。本综述回顾了稀土元素在0D半导体、1D半导体、2D半导体和3D半导体中的应用现状与研究进展（全面综述见图1）。在本综述中，维度性作为结构框架采用，而非作为气敏机制的分类标准。然后，比较了现有不同传感参数下稀土改变化学电阻式半导体气体传感器的性能，并结合不同半导体材料的组成和应用，简要分析了不同维度纳米材料气体传感器的主要优势。最后，基于当前发展状态展望了未来。本综述为高性能化学电阻式半导体气体传感器的开发提供了有价值的参考信息。

章节摘要

化学电阻式半导体材料的气敏机制

根据此前报道的文献，不同类型的气体传感器应采用不同的模型分别解释其传感机制。化学电阻式半导体气体传感器的灵敏度机制主要取决于敏感材料，敏感材料的气敏性质与敏感材料表面和界面的化学性质密切相关[26][27]。此外，化学电阻式半导体的工作温度

化学电阻式半导体气体传感器的0D稀土改性传感材料

0D半导体通常定义为三个维度均在纳米尺度受限的纳米材料，包括纳米粒子、团簇和量子点。各种合成方法已被开发，如溶胶-凝胶法、水热法、共沉淀法和微波辅助溶剂热法[40]。由于其超小尺寸，0D半导体材料具有高比表面积和丰富的活性位点，有利于目标气体的吸附和反应

材料设计中的挑战与机遇

尽管稀土改性已被广泛探索用于改善半导体材料的气敏性能，但在稀土改性传感材料的设计中仍存在若干挑战。首先，不同稀土元素及其浓度的效应高度依赖于宿主材料和制备条件。因此，仅凭经验优化难以确定最佳的稀土种类和负载量。更清晰的认识

结论与展望

本综述总结了稀土元素在化学电阻式半导体气体传感器中应用的最新进展，重点强调了其在不同维度体系中调节电子结构、缺陷化学和界面性质方面的作用。尽管取得了这些成就，目前稀土元素的利用仍主要局限于传统的掺杂和异质结构建，其固有的理化性质尚未得到充分探索。

CRediT作者贡献声明

赵祥：撰写初稿、调查研究、数据整理、概念构思。王家乐：软件、资源、方法论、调查研究。李丹：撰写-审阅与编辑、项目管理、基金获取、概念构思。杨颖：软件、项目管理、方法论、调查研究。李峰：可视化、验证、监督。于辉：可视化、方法论、调查研究。王天琦：撰写-审阅与编辑、验证、资源。董相婷：

写作过程中生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明

在撰写本文过程中，作者使用生成式人工智能工具辅助改进原文语言、可读性和清晰度。所有由AI生成的建议均经过作者的仔细审阅和编辑。

作者对本出版物内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由吉林省科技发展计划项目（20260102043JC）提供资金支持。

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