多年來，氣體傳感器因其在醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測、工人安全和食品質(zhì)量控制等各個領(lǐng)域的應(yīng)用而引起了人們的極大興趣。對于這些應(yīng)用，理想的氣體傳感器應(yīng)具有對跟蹤目標(biāo)的高靈敏度和選擇性、快速響應(yīng)/恢復(fù)能力、低能耗和成本效益。

盡管已經(jīng)報(bào)道了許多傳感器在高工作溫度或光激活下的快速響應(yīng)/恢復(fù)、高靈敏度和低成本，但在低能耗條件下，快速響應(yīng)/回收，特別是十億分之一范圍內(nèi)的靈敏度往往仍然不足。

金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）因其低成本和良好的化學(xué)穩(wěn)定性而被廣泛用作傳感材料。然而，固有的低載流子濃度限制了它們在室溫（RT）下的有效運(yùn)行，通常需要外部光激活或熱能來激發(fā)載流子，從而在氣體檢測中實(shí)現(xiàn)高靈敏度。為滿足氣體傳感器的市場需求，開發(fā)獨(dú)立于外部熱和光激活的傳感材料已成為化學(xué)電阻氣體傳感器領(lǐng)域的熱門話題。雖然常見的策略主要依賴于貴金屬改性和元素?fù)诫s來提高載流子濃度，但從成本效益的角度來看，需要高效簡單的方法。

雙異質(zhì)結(jié)的設(shè)計(jì)是一種廣泛而有效的策略，可以改善半導(dǎo)體中的電子-空穴分離，從而提高載流子濃度，以改善相關(guān)表面催化反應(yīng)的性能。然而，對載流子輸運(yùn)的有限控制可能會對基于異質(zhì)結(jié)的樣品的傳感性能產(chǎn)生影響。在這方面，正常的方法涉及產(chǎn)生內(nèi)部電場（IEF）來加速電子傳輸，從而提高目標(biāo)氣體的傳感性能。然而，多異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的發(fā)展仍面臨許多挑戰(zhàn)，如勢壘效應(yīng)和界面接觸不良，嚴(yán)重阻礙了電荷傳輸效率。作為使用IEF加速電荷轉(zhuǎn)移的替代方案，構(gòu)建特殊的化學(xué)橋?qū)殡姾蓚鬏斕峁╊~外的途徑；這將導(dǎo)致電子-空穴分離的改善，從而在沒有外部激活的情況下獲得令人滿意的傳感性能。此外，探索異質(zhì)結(jié)構(gòu)中界面化學(xué)和電荷轉(zhuǎn)移的基本機(jī)制是另一項(xiàng)重要任務(wù)。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作通過簡單單體和金屬離子前體的直接電聚合方法，將MoOx和導(dǎo)電聚吡咯（ppy）集成到TiO2納米管陣列（TiNT）上，開發(fā)了一種無活化的NO2氣體傳感器。

2. 由于豐富的缺陷和Mo-N耦合，基于已形成的雙p-N異質(zhì)結(jié)（TiO2/ppy和ppy/MoOx）的傳感芯片在沒有任何激活的情況下表現(xiàn)出優(yōu)異的NO2傳感性能，如超高響應(yīng)（Rg/Ra=11.96,1ppm）、快速響應(yīng)/恢復(fù)能力（9/11秒）、可靠的可重復(fù)性、高選擇性和存儲穩(wěn)定性。

3.該系統(tǒng)的理論檢測限為十億分之幾（NO2的LOD=0.12 ppb），是迄今為止報(bào)告的最佳無活化NO2化學(xué)電阻傳感器。

4. 除了純目標(biāo)氣體外，該傳感器還能夠分析復(fù)雜呼出空氣樣本中的痕量NO2氣體，用于哮喘診斷。

圖文解析

圖1. （a）TPMNT制造示意圖；（b）NO2的流動路徑和TPMNTs傳感芯片的機(jī)理分析；（c）使用準(zhǔn)備好的傳感器進(jìn)行實(shí)時呼吸分析。

圖2. （a）TiNT和（b）TPMNT的SEM圖像。（c）TEM、（d）HR-TEM、（e）SAED、（f）HAADF-STEM和（g）TPMNT的EDS-TEM映射圖像。

圖3. （a）TiNTs、TPNTs、TMNTs和TPMNTs的XRD圖和（b）拉曼光譜。（c）TPNTs和TPMNTs的N 1s和O 1s XPS光譜。（e）Mo 3d XPS和（f）TPMNTs的ESR光譜。

圖4. （a）不同ppy MoOx含量的TPMNT的氣體響應(yīng)。（b）TiNTs、TPNTs、TMNTs和TPMNTs的氣體響應(yīng)。（c）TPMNT的動態(tài)傳感曲線和擬合線性關(guān)系。（d）響應(yīng)/恢復(fù)時間和（e）TiNTs、TPNTs、TMNTs和TPMNTs的選擇性。（f）TPMNT的抗干擾能力，（g）濕度效應(yīng)，以及（h）長期穩(wěn)定性。（i）比較現(xiàn)有系統(tǒng)和最先進(jìn)的NO2傳感器的響應(yīng)。

圖5. （a）等離子體處理前后TPMNT的ESR光譜、（b）XRD圖譜、（c）O 1s XPS光譜和（d）Mo 3d XPS光譜。（e）等離子體處理后TPMNT的N 1s XPS光譜。（f）TPMNT在不同條件下的反應(yīng)。

圖6. 氣體傳感機(jī)制。（a）空氣和（b）NO2中的傳感芯片示意圖。（c）TPMNT各組件的能帶結(jié)構(gòu)。

圖7. （a）MCU集成氣體傳感器的照片和智能手機(jī)上NO2監(jiān)測的圖示。（b）呼氣距離對TPMNTs傳感器測量的NO2濃度的影響。（c）通過TPMNTs傳感器檢測已知的NO2濃度和呼出空氣。（d）TPMNTs芯片對六名志愿者呼出氣體的NO2反應(yīng)。（e）在第1至10天肺部感染期間，TPMNTs芯片對4號志愿者呼出氣體的NO2反應(yīng)的變化。

來源：柔性傳感及器件