隨著工業(yè)的快速發(fā)展，空氣污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。NO2作為最主要的大氣污染物之一，其在極低濃度下(ppb級(jí))就能對(duì)人體產(chǎn)生較大的危害。因此，開發(fā)可快速、靈敏地檢測(cè)ppb級(jí)NO2的氣體傳感器具有現(xiàn)實(shí)意義。以金屬氧化物為敏感材料的NO2氣敏元件具有制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。然而，靈敏度低的問(wèn)題直接限制了金屬氧化物在實(shí)際檢測(cè)ppb級(jí)NO2中的應(yīng)用。近年來(lái)，一系列理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：金屬氧化物半導(dǎo)體材料的表面缺陷能夠提高其對(duì)NO2分子的吸附能力，同時(shí)也能夠高效地促進(jìn)電子從半導(dǎo)體的導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移至NO2分子，從而有效地提高其檢測(cè)靈敏度。因此，通過(guò)對(duì)材料表面缺陷的調(diào)控實(shí)現(xiàn)對(duì)NO2的超靈敏檢測(cè)具有重要研究?jī)r(jià)值。

　　目前，已被廣泛研究的表面缺陷類型為單電子氧空位缺陷(VO·)，然而另一種坐落于SnO2表面的缺陷—超氧復(fù)合自由基(Sn4+-O2-·)卻未被引起足夠的重視。與VO·缺陷中心相比，電子在Sn4+-O2-·上理論上更容易與NO2分子發(fā)生作用從而增強(qiáng)靈敏度，原因在于電子坐落于吸附的O2分子上，遠(yuǎn)離SnO2晶格對(duì)其的束縛。然而，這種具有特殊結(jié)構(gòu)的缺陷與材料靈敏度的關(guān)系還未被研究過(guò)。

　　2015年，中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室竇新存團(tuán)隊(duì)為了在材料表面引入這種缺陷，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了熱力學(xué)不穩(wěn)定的制備條件，科研人員以極不穩(wěn)定的SnCl4作為原料，利用冰浴控制反應(yīng)溫度以阻止其激烈的水解反應(yīng)，再利用高溫高壓的水熱環(huán)境瞬間打破前驅(qū)體溶液的亞穩(wěn)態(tài)從而獲得缺陷。基于該方法能夠成功地將Sn4+-O2-·引入材料表面，利用這種材料制備的傳感器對(duì)ppb濃度量級(jí)的NO2具有超靈敏的傳感特性(對(duì)200 ppb的NO2響應(yīng)高達(dá)35350倍)。與近年來(lái)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道相比，該材料是目前世界上最靈敏的NO2傳感材料。

　　此外，科研人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)首次證明了材料表面Sn4+-O2-·數(shù)量的微小改變就能引起材料敏感性能的巨大變化。基于這種材料的傳感器具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性，良好的重復(fù)性、選擇性，以及在紫外光下迅速恢復(fù)等一系列優(yōu)異的傳感特性，可為傳感器的工業(yè)化生產(chǎn)提供有力的保障。

　　相關(guān)研究成果以Communication形式發(fā)表在Small上，并被“Materials Views中國(guó)”作為亮點(diǎn)報(bào)道。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院“百人計(jì)劃”、西部之光、新疆維吾爾自治區(qū)杰青等項(xiàng)目的資助。

通過(guò)控制SnO2表面缺陷控制NO2傳感器靈敏度示意圖