Аммиак имеет чрезвычайно высокий годовой объём производства в промышленности, сельском хозяйстве и холодильной технике, однако его сильная коррозионная активность и острая токсичность представляют серьёзную угрозу для окружающей среды и здоровья человека, поэтому разработка эффективных газовых сенсоров для мониторинга в реальном времени имеет решающее значение. Газовые сенсоры на основе оксидных полупроводников металлов (MOS), хотя и широко применяются благодаря высокой чувствительности, низкой стоимости и простоте интеграции, в реальных условиях эксплуатации обычно сталкиваются с присущей проблемой компромисса характеристик, то есть с трудностью одновременного обеспечения высокой чувствительности, хорошей селективности и стабильной работы при комнатной температуре, и часто ограничены относительно высокой рабочей температурой и ограниченной стабильностью при колебаниях окружающей среды.

Существующие исследования в основном полагаются на создание гетеропереходов, модификацию благородными металлами, легирование элементами и функционализацию поверхности, однако такие методы в большинстве случаев сосредоточены на макроскопическом регулировании границ раздела или поверхностных химических реакциях. Модификация благородными металлами также имеет такие недостатки, как высокая стоимость, склонность к агломерации и дезактивации, а также чувствительность к влажности. Дизайн гетеропереходов также часто вносит сложные граничные состояния, влияющие на долговременную стабильность устройства. В настоящее время в области газового сенсоринга стратегии, использующие эффект квантового ограничения для точного регулирования поведения локализации носителей, плотности состояний энергетических уровней и хранения заряда в ловушечных состояниях на квантовом масштабе, всё ещё редко исследуются глубоко, из-за чего комплексные характеристики сенсоров в сложных реальных условиях по-прежнему трудно соответствуют строгим требованиям.

Для решения上述 проблем объединённая команда, состоящая из Сычуаньского сельскохозяйственного университета и Юго-Западного транспортного университета, провела углублённое исследование с использованием настольного сканирующего электронного микроскопа серии ZEM от ZEPTOOLS, команда создала планарные квантовые ямы путём in situ выращивания квантовых точек CdS на подложке Fe₂O₃ в форме куколки цикады, синергетически индуцируя дискретизацию энергетических уровней и хранение заряда в граничных дефектных ловушечных состояниях, и в сочетании с усилением фотовозбуждения и эффектом размерного исключения успешно преодолела проблему компромисса традиционных MOS-сенсоров между чувствительностью, селективностью и работой при комнатной температуре, достигнув высокоэффективного обнаружения NH₃.

Название:Light-Enhanced CdS Quantum Dot and Cicada-Like Fe2O3 Collaboratively Induce Band-Level Discretization and Trap-State Charge Storage for Advanced Ammonia Detection 
Журнал:Inorganic Chemistry 
Ссылка:http://dx.doi.org/10.1021/acs.inorgchem.6c03409

Для преодоления узкого места традиционных газовых сенсоров на основе оксидных полупроводников металлов, связанного с трудностью одновременного обеспечения работы при комнатной температуре, высокой чувствительности и высокой селективности, данное исследование в первую очередь сосредоточено на механизме построения наноразмерных гетерокомпозитных сенсорных материалов и точном регулировании микроструктуры. Авторский коллектив сначала синтезировал гидротермальным методом подложку Fe₂O₃ с микроструктурой в форме куколки цикады, используя направленное травление SO₄²⁻ для придания ей высокой удельной поверхности и иерархической пористой структуры, а затем in situ вырастил квантовые точки CdS на поверхности Fe₂O₃. В процессе синтеза команда установила, что бутиламин (BTA) является ключевой вспомогательной добавкой, подавляющей осаждение объёмного CdS, способствующей контролируемому разложению тиомочевины и защищающей образование квантовых точек. Также систематически выяснено решающее влияние количества добавляемого прекурсора Fe₂O₃ от 100 мг, 200 мг до 300 мг на кинетику нуклеации и плотность распределения квантовых точек, и окончательно определено, что загрузка 200 мг позволяет сформировать равномерно закреплённую, однородную по размеру высокодисперсную композитную структуру Fe-CdQDs.

Для точного подтверждения эволюции микроформы и структурной однородности материалов экспериментальная команда провела систематическую микроструктурную характеризацию образцов, синтезированных по различным методикам. В ходе морфологического анализа с помощью настольного сканирующего электронного микроскопа серии ZEM от ZEPTOOLS были точно охарактеризованы поверхностная микроформа и особенности распределения частиц образцов, что обеспечило чёткие визуальные доказательства для непосредственного наблюдения различий в микроформе между Fe-Cd и Fe-CdQDs. Результаты наблюдений подтвердили, что образец Fe-Cd без добавления бутиламина образовывал грубые объёмные осадки CdS на поверхности Fe₂O₃, тогда как Fe-CdQDs с добавкой демонстрировал特征 мелких частиц, плотно закреплённых на краях подложки. В сочетании с анализом ПЭМ кристаллических полос и граничных дефектов несоответствия было полностью выяснено состояние межфазного контакта между квантовыми точками и подложкой.

Затем исследование сосредоточилось на закономерностях сенсорного отклика данной композитной системы в среде аммиака при комнатной температуре и характеристиках усиления чувствительности при многофакторном взаимодействии. Газосенсорные испытания показали, что сенсор Fe-CdQDs 200 при 20°C комнатной температуры демонстрирует отклик до 68% на 100 ppm NH₃, время отклика и восстановления составляет 17 с и 43 с соответственно, предел обнаружения достигает 6 ppm, и он сохраняет превосходную эксплуатационную стабильность и отличную влагостойкость при многократных циклах и непрерывных 30-дневных длительных испытаниях. Что ещё важнее, квантовые точки CdS обладают выраженными свойствами фотоэлектрического возбуждения: при возбуждении светом 254 нм отклик композита дополнительно возрастает до 84,73%, тогда как отклик на мешающие газы, такие как триметиламин, этанол, ацетон и сероводород, эффективно подавляется ниже 15%, что полностью подтверждает ключевую стимулирующую роль внешнего светового поля в многократном повышении чувствительности отклика при комнатной температуре и точности молекулярного распознавания.

Наконец, с помощью анализа теории энергетических зон, электрохимической импедансной спектроскопии и расчётов теории функционала плотности из первых принципов систематически раскрыт внутренний физико-химический механизм синергетического усиления чувствительности за счёт эффекта квантового ограничения и регулирования заряда в дефектных состояниях. Теоретический и спектральный анализ подтвердил, что сильный эффект квантового ограничения квантовых точек CdS расширяет их ширину запрещённой зоны до 1,27 эВ, а энергетические уровни становятся квантованными и дискретными, что побуждает встроенное электрическое поле границы раздела управлять обратным потоком электронов от Fe₂O₃ и их накоплением на стороне CdS, где они глубоко захватываются обильными несоответствующими дефектными состояниями кристаллической решётки и ловушечными центрами, создавая таким образом высокоомный «резервуар заряда» в воздухе. При воздействии восстановительного NH₃ захваченные электроны быстро и в большом количестве высвобождаются обратно в зону проводимости, вызывая значительное изменение проводимости. В то же время плотно упакованные квантовые точки CdS действуют как физический барьер размерно-селективного молекулярного сита, эффективно блокируя крупномолекулярные мешающие вещества и способствуя высокоселективной адсорбции NH₃, что принципиально обеспечивает прочную и надёжную микроскопическую механистическую поддержку для проектирования квантовых энергетических зон высокоэффективных газовых сенсоров комнатной температуры.

Сканирующий электронный микроскоп серии ZEM от ZEPTOOLS — это высокоинтегрированный, портативный и экономически эффективный научный прибор. Он обладает быстрым откачиванием вакуума, высокой скоростью визуализации, разнообразными вариантами детекторов сигнала, подходит для наблюдения морфологии и элементного анализа, а также может адаптироваться к различным требованиям in situ экспериментов. Прибор нетребователен к условиям установки, не зависит от этажа, прост в управлении; даже неспециалисты могут быстро освоить его. Он может широко применяться в разработке новых материалов, науках о жизни, анализе отказов, промышленном контроле качества и многих других областях, предоставляя научно-исследовательским институтам и корпоративным пользователям мощное решение для микрохарактеризации, сочетающее высокую производительность и высокую экономическую эффективность.