复旦大学邓勇辉团队在超分子组装合成新型半导体纳米线气敏材料研究方面取得重要进展
复旦大学邓勇辉团队
超分子组装在自然界和生命体系中广泛存在。科学家师法自然，借助各种非共价键作用和超分子组装仿生合成了大量具有新颖结构和独特性能的自组装纳米材料。作为一类重要的纳米结构材料，半导体纳米线因其独特的电学、光学、热学以及电化学特性日益成为国际纳米科学领域的前沿研究课题。半导体纳米材料与器件涉及化学、材料科学、微电子、信息科学以及生物医学诸多学科，并在新能源、智能纳米传感器等领域具有广泛应用前景。通过“自下而上”超分子组装的软化学合成途径来灵活、可控、规模化创造半导体纳米线及其组装体是化学家和材料科学家共同的梦想。近日，复旦大学化学系、聚合物分子工程国家重点实验室邓勇辉教授课题组在两亲性嵌段共聚物导向合成新型气敏半导体材料研究方面取得重要进展。
该研究团队利用有机嵌段共聚物与无机杂多酸分子之间的协同共组装，首次直接合成了三维等间距、正交排列的金属氧化物半导体纳米线多孔阵列结构，且该材料展示出优异的气体传感性能。北京时间12月3日凌晨，该项研究成果以《正交组装三维交叉堆叠金属氧化物半导体纳米线的合成》为题，以研究长文形式在线发表于《自然·材料》杂志。
据悉，该成果是研究团队多年来在嵌段共聚物设计、组装合成纳米结构材料（尤其是介孔金属氧化物材料）方面的重要研究进展。在同行和课题组的研究基础上，研究团队历经四年多探索出的这种灵活、可控的3D超分子界面组装合成思想，突破了传统的复杂多步合成和制备纳米线阵列的瓶颈。该组装方法为创制新颖半导体纳米线阵列、纳米线功能化修饰（如原位掺杂等）、微纳器件原位集成等提供了全新的研究思路，也为发展先进能源器件、微纳感知电子元件、智能装备等打下重要的基础。
复旦大学化学系教授邓勇辉为论文通讯作者，化学系2014级硕博连读研究生任元和2017级博士生邹义冬为论文共同第一作者。
化学电阻型半导体气体传感器是一类具有高选择性、高灵敏度的传感器，在工业生产、环境监测、智能医学、航空航天、国防安全、宇宙探测等各领域具有重要的应用价值。当前，互联网、物联网的快速发展正极大地促进了传感技术在各领域的应用。作为物联网的神经末梢，传感器是传感技术最核心的元件，是物联网获取信息的窗口、执行指令的依据。化学电阻型半导体气体传感器的核心是气敏半导体材料，因此创制高性能的气体敏感材料是发展先进气体传感器的关键。
金属氧化物半导体气敏传感响应过程中，敏感材料的界面发生气体分子的选择性催化氧化和材料自身电学特性（如电阻）的变化，而这一变化指示着气体分子的理化性质和浓度等特性。因此设计具有丰富孔结构、高比表面积以及良好的载流子输运骨架的晶态半导体金属氧化物材料有助于提升气敏响应性能。一方面，巨大的比表面积和丰富的界面可提供更多的活性位点，有利于气–固界面气敏催化作用；另一方面，高度互联的孔道有利于气体在敏感材料中的扩散和传质，增加气体与敏感材料界面反应几率，可大幅度改变材料的电学特性参数，提高半导体传感器的灵敏度和选择性。在这方面，纳米线结构材料无疑具有显著优势。然而，在以往研究中，半导体纳米线需要事先合成，然后再进一步采用各种组装策略来形成组装体并加以应用。采用“自下而上”的超分子组装合成法来直接构筑金属氧化物半导体纳米线阵列多孔组装体有利于微纳气敏传感器的发展，但一直是一个巨大的挑战。
邓勇辉教授团队长期从事嵌段共聚物设计及其组装合成功能纳米结构材料研究，包括创制多种金属氧化物半导体气敏传感材料。针对上述挑战，课题组采用“bottom-up”的超分子组装理念，利用实验室设计合成的富含sp2杂化碳的有机两亲性嵌段共聚物（如PEO-b-PS）与无机杂多酸簇分子（如硅钨酸）之间协同作用。研究团队通过在分子尺度操控有机大分子与无机小分子界面静电组装，可令二者发生胶束化以及胶束融合作用，进一步在纳米尺度下利用溶剂挥发诱导棒状胶束聚集组装，首次获得成3D紧密交叉排列的复合纳米线阵列。在随后的高温煅烧处理过程中，研究团队发现这种有机-无机复合结构具有非典型性“结构变换”（Structure transformation）行为，即伴随着有机高分子的分解，硅钨酸分子迁移至棒状胶束接触区并原位转化为Si-掺杂的氧化钨（WO3）纳米线，并最终形成三维等间距、正交排列的金属氧化物半导体纳米线多孔阵列结构。
原位表征技术、光谱分析、同步辐射分析及密度泛函（DFT）理论计算结果表明，氧化钨纳米线因晶格中掺入了Si元素而导致常规的γ-WO3的正八面体结构发生局部扭曲，因此纳米线阵列中的氧化钨是亚稳态的ε-WO3。进一步研究发现，上述超分子组装合成思路也适合于其它杂多酸体系，比如硅钼酸、磷钨酸、磷钼酸等单一或多元杂多酸均可以用作为无机前驱物分子，并可以用来合成各种杂原子原位掺杂的半导体金属氧化物交叉纳米线阵列。以Si掺杂ε-WO3正交纳米线阵列为例，由于亚稳态ε-WO3纳米线阵列结构同时具有3D堆垛多孔结构、丰富的界面活性氧（O-、O2- 等）和良好的电子传递行为，该材料展示出优异的丙酮传感响应性能（丙酮是人体呼出气中与生理、病理相关的标志性挥发物之一）。
该项研究得到国家优秀青年基金、国家自然科学基金面上项目、国家万人计划青年拔尖人才和能源材料化学协同创新中心等资助。研究工作得益于多个合作单位以及所有作者的精诚合作和协作支持，同时也得到西安交通大学单智伟教授在原位电镜测试方面的无私帮助。
半导体型气体传感器在家用燃气报警器中的应用
构成气体传感器的材料可分为半导体和非半导体两大类，在实际使用中，应用最多是半导体气体传感器。自1962年金属氧化物半导体气体传感器问世以来，就以测量精准、维护简单、应用灵活、可靠性高等优点，深受传感器市场欢迎。
半导体气体传感器是利用半导体气敏元件作为敏感元件的气体传感器。简单来说，就是将吸着于过热金属氧化物半导体表面的氧与其他分子反应所产生的电阻的变化，作为气体浓度进行检测，是最常见的气体传感器。广泛应用于家庭和工厂的可燃气体泄漏检测装置，适用于甲烷、液化气、氢气等的检测。
随着厚膜印刷、MEMS等工艺的推广，半导体气体传感器完成了微型化、智能化的迭代升级。工程师们逐渐研发出了在微型陶瓷基片的两面分别制作加热器和气敏层的平面半导体气体传感器 ，缩小了体积、降低了功耗；后来又衍生出利用MEMS工艺的Si基微热板和半导体材料组成的MEMS气体传感器 ，结构更加坚固、功耗更低，也更便于集成。
半导体气体传感器用于可燃气体检测时，检测过程中仅存在气体的吸附和脱附过程，厨房内的油烟较少存留于敏感材料表面，非常适合用于检测家庭燃气泄漏。
・ 在有机硅气体环境下的使用
如果在有机硅气体环境下使用半导体式传感器，则传感器表面的H2O、OH基会和硅反应，附着于传感器表面。附着有硅的部分不易与气体发生反应，因此会导致气体灵敏度下降。
・ 始终在有溶剂气体存在的环境中使用
如果溶剂气体始终与传感器接触，则传感器元件的半导体中的自由电子会和溶剂气体反应，生成OH基，令传感器内的自由电子减少。
自由电子＝与气体反应的电子，自由电子减少会导致气体灵敏度的下降。
半导体型气体传感器选型推荐
一款满足新国标要求的可燃气体探测器，离不开核心的气体传感器，炜盛科技MPn-4C就是一款符合新国标产品要求的传感器元件。
MPn-4C采用多层厚膜制造工艺，在Al2O3陶瓷基片上集成了加热电极、测量电极和金属氧化物半导体气敏层，并将其封装在金属壳体内。当环境空气中存在被检测气体时，传感器的电导率会发生变化，该气体的浓度越高，传感器的电导率就越高。采用简单的电路即可将这种电导率的变化转换为与气体浓度相对应的输出信号。该产品对使用场景中常见气体如酒精、乙酸等有很好的抗干扰能力。
半导体气体传感器不仅可以用于可燃气体检测，也可以用于烟雾、酒精、一氧化碳、臭氧、氨气、硫化氢、有机蒸气等多种气体的检测。炜盛科技半导体系列气体传感器包含民用半导体系列和工业级半导体系列，如您有相关需求，请联系大盛～
相关问答
简述半导体气敏传感器的工作原理?
半导体传感器是一种采用半导体气敏为主要使用材料的传感装置,它利用与其气体接触时使半导体的导电率等物理性质发生变化来检测待测气体的成分和浓度。当半导...
半导体气敏传感器为什么在高温下工作呢-小红薯5C2447A7的...
主要是半导体气敏材料需要在一定温度下对待测气体有足够的吸附,气体分子可以充分在气敏材料表面(及晶界)扩散,引起材料的热电阻变化,这时测量电路就...
什么是电子级气体?气体分级有哪些?_作业帮
[回答]一般5N以上的就可以称为电子级的了,5N是5个9的意思,就是99.999%电子级气体最高可以到8N~10N,都是现场纯化的,罐子里最多也就到7N电子级是指用在半导...
氧化半导体气敏灵敏度的影响因素有哪些?
检测原理是半导体原理的传感器,一般检测精度和量程都不高,但是灵敏度高,一般是在民用。原理:金属氧化物半导体式传感器利用被测气体的吸附作用,改变半导体...
【在半导体工业中有这样一句话:“从沙滩到用户”，其中由粗...
[最佳回答](1)n=VVm=49L24.5L/mol=2mol,m=n×M=2mol×36.5g/mol=73g;从Si(粗)+2Cl2=SiCl4、SiCl4+2H2=Si(纯)+4HCl...
读研材料半导体气体前景怎么样?
读研材料半导体气体前景非常广阔。随着科技的不断进步,半导体材料在各个领域的应用越来越广泛,特别是在人工智能、物联网、5G通信等新兴领域,对于高性能、低功...
有气敏性的材料除了氧化铁，氧化锡，氧化锌，氧化铟，还有哪...
半导体纳米金属氧化物SnO2、ZnO、SiO2、TiO2、Fe2O3、WO3和复合半导体金属氧化物YFeO3、ZnSnO3、LaFeO3等是研究最为广泛的气敏材料半导体纳米金属...
sno2是p型半导体还是n
SNO2(二氧化锡)是一种n型半导体。这是因为SNO2的导电性主要由其空穴浓度控制,而这与p型半导体的特性相反,p型半导体的导电性主要由其电子浓度控制。当SNO2...
半导体气体传感器为什么要在高温状态下工作?加热方式有哪几种
主要是半导体气敏材料需要在一定温度下对待测气体有足够的吸附,气体分子可以充分在气敏材料表面(及晶界)扩散,引起材料的热电阻变化,这时测量电路就...
以半导体材料为敏感元件的传感器?
半导体气敏传感器有多种分类方法,主要一种是将其分为两类—电导控制型气敏传感器和电压控制气敏传感器。其中电导控制型一般以金属氧化物半导体材料如SnO、Zn...
