近年來，利用各類納米氣敏材料制作新型半導體氣體傳感器成為了科學家的研究熱點和重點。光電子信息學院劉歡副教授研究團隊與光電國家實驗室唐江教授課題組合作，在國際上較早開展了膠態(tài)量子點氣敏材料及其半導體氣體傳感器的研究，取得了一系列工作進展。

今年5月至10月，劉歡課題組研究人員以第一作者或通訊作者身份，先后在材料類國際頂尖雜志《先進材料》(Advanced Materials)、《傳感器與執(zhí)行器B-化學》(Sensors and Actuators B-Chemical)和《應用物理快報》(Applied Physics Letters)等國際權(quán)威期刊上發(fā)表相關研究成果。該團隊還與國外學術(shù)同行開展合作，所取得的研究成果發(fā)表在《自然•材料》(Nature Materials)上。

作為目前主流氣體檢測儀器儀表的核心元器件和上游產(chǎn)品，半導體氣體傳感器已廣泛應用于環(huán)境保護、工業(yè)過程控制、安全防爆以及醫(yī)療診斷等眾多領域，在保障人身安全和改善環(huán)境質(zhì)量方面發(fā)揮著不可替代的重要作用。然而，工作溫度高、選擇性不佳等問題仍然制約著該類氣體傳感器的發(fā)展。在眾多新型納米氣敏材料中，膠態(tài)量子點巨大的比表面積和優(yōu)良的室溫成膜性能使之極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

劉歡課題組的博士生李敏等人嘗試采用膠態(tài)法合成的硫化鉛(PbS)量子點為半導體氣敏材料，以室溫旋涂法成膜并輔以有機配體置換形成器件，工藝簡便且避免了傳統(tǒng)氣敏材料因高溫煅燒造成的團聚現(xiàn)象。該器件在室溫下對低濃度NO2表現(xiàn)出擇優(yōu)敏感性以及快速響應和恢復特性，且創(chuàng)新地采用紙作為柔性襯底替代傳統(tǒng)器件中的陶瓷剛性襯底，其優(yōu)良的抗彎曲疲勞特性可滿足對器件柔韌性有特殊要求的應用需求，同時結(jié)合理論計算解釋了上述氣敏效應的物理化學內(nèi)涵。5月，有關該研究的相關論文“可折疊、快速響應的膠態(tài)量子點氣體傳感器”(Physically flexible, rapid-response gas sensor based on colloidal quantum dot solids)發(fā)表于材料類國際頂尖雜志《先進材料》。

李敏等人研究后發(fā)現(xiàn)，p型的PbS量子點薄膜在較低工作溫度下(135oC)對低濃度H2S氣體表現(xiàn)出極高的靈敏度和優(yōu)良的選擇性，理論探測下限可低至17ppb。因此，通過改變工作溫度可以分別獲得對NO2和H2S氣體的擇優(yōu)敏感性。7月22日，該研究的相關論文“硫化氫探測用膠態(tài)量子點電阻式氣體傳感器”(Resistive gas sensors based on colloidal quantum dot (CQD) solids for hydrogen sulfide detection)在線發(fā)表于傳感器領域國際權(quán)威期刊《傳感器與執(zhí)行器B-化學》。

在上述研究基礎上，劉歡課題組又與多倫多大學Sargent教授課題組開展合作，研究出了空氣中穩(wěn)定的n型PbS量子點氣敏材料。研究人員通過對材料導電類型的宏觀調(diào)控，為膠態(tài)量子點氣敏材料及傳感器的設計和制備提供了新的自由度。8月，該成果的相關論文“空氣中穩(wěn)定的n型膠態(tài)量子點”(Air stable n-type colloidal quantum dot solids)發(fā)表于材料類國際頂尖雜志《自然•材料》。

與此同時，劉歡課題組碩士生徐宋曼采用水熱法合成了環(huán)境友好的氧化錫膠態(tài)量子點，通過室溫成膜及配體置換設計并制作出硫化氫氣體傳感器。相比于傳統(tǒng)氧化錫氣敏材料，其制備工藝更簡單，同時實現(xiàn)了低溫(70oC)下對低濃度硫化氫氣體具有高的靈敏度、快速的響應恢復特性、重復特性以及選擇性。研究人員針對膠態(tài)量子點的尺寸特征，基于半導體物理與化學吸附理論建立了小尺寸量子點的平帶能帶模型，計算出了H2S與氧吸附反應引起氧化錫量子點薄膜費米能級上移量與氣體濃度變化的關系，與實驗結(jié)果吻合。10月23日，相關文章“可溶液處理的金屬氧化物量子點薄膜化學電阻式氣體傳感器”(Chemiresistive gas sensors employing solution-processed metal oxide quantum dot films)發(fā)表于應用物理領域國際權(quán)威期刊《應用物理快報》。

據(jù)悉，上述研究工作受到了國家自然科學基金、教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃、華中科技大學自主創(chuàng)新基金傳感器技術(shù)重點專項、華中科技大學光電信息學院人才培育基金，以及華中科技大學博士學位論文創(chuàng)新基金等項目的資助，同時還得到了光電信息學院傅邱云教授課題組的合作支持。