【儀表網 研發快訊】近期，青島大學物理科學學院張軍教授團隊在氣體傳感器的材料設計、器件構筑與機理研究方面取得多項重要突破，先后在Small、Appl. Phy. Lett.、Coord. Chem. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.等高水平期刊發表系列研究成果，系統展示了團隊在面向氫能安全、環境監測、物聯網傳感等國家戰略需求方向的創新實力。
一、MXene低溫抗干擾氫氣傳感器
MXene作為一種新型二維材料，憑借高導電性、豐富的表面官能團與可調控的表面化學性質，在微納電子器件和氣體傳感領域展現出巨大潛力。然而，其表面金屬原子在環境條件下的快速氧化，導致材料性能衰減，成為制約實際應用的瓶頸。為解決這一難題，團隊基于原子層沉積(ALD)技術開發了表面工程策略，在Ti?C?T?MXene表面精準構建ZnO與Pd共修飾敏感界面。該“導電基底-氧化保護-催化修飾”三元協同結構，有效抑制了材料氧化并提升了氫氣反應活性。基于該策略制備的Pd-ZnO/MXene傳感器對50 ppm H?的響應/恢復時間僅為23秒/64秒，表現出高靈敏、快速和穩定的檢測性能，為“雙碳”背景下的氫能“制-儲-運-用”全鏈條安全監測提供了可靠的傳感解決方案。此外，該ALD表面工程策略具良好普適性，有望拓展至其他MXene體系乃至二維材料器件應用，為高性能電子器件的構建提供了新范式。該成果以“Atomic Surface Engineering ofMXene for Stable Hydrogen Sensing at Low Temperature”為題，發表于納米材料領域頂級期刊Small(IF=12.1)，2023級碩士研究生楊瀟為第一作者，劉相紅教授與張軍教授為共同通訊作者。
二、原位集成異質結自驅動NO?傳感器
針對傳統過渡金屬硫族化合物(TMD)異質結制備中存在的轉移損傷與界面退化問題，團隊創新提出“直接原位固相轉化”策略，一步構筑片上集成式二維CuInSe?–In?Se?異質結，避免了機械轉移過程，顯著提升了器件的一致性。該異質結在365 nm紫外光激發下具備自驅動運行能力，在室溫下對5 ppm NO?表現出高選擇性與超快響應(2.36秒)，靈敏度達到國際先進水平，為面向物聯網的低功耗、高性能氣體傳感器提供了新路徑。該研究成果以“In situ construction of CuInSe2–In2Se3heterojunctions for highly selective self-powered NO2sensors”為題，發表在物理學領域的自然指數期刊Appl. Phy. Lett.，并被遴選為“Editor's Pick”。2023級碩士研究生姜浩為第一作者，鄭威副教授與張軍教授為共同通訊作者。
三、原位譜學揭示氣體傳感材料動態結構演變機制
針對半導體氣體傳感器敏感過程中活性物相不明、動態機理不清的核心挑戰，團隊利用石墨烯誘導成功制備了物相可調In?O?同質結構，并創新性地采用原位拉曼光譜技術，首次實現了對氣體響應過程中材料表面物相動態變化的實時觀測。該研究不僅使傳感器對5 ppm NO?的響應提升至1208，靈敏度提高20倍以上，更關鍵的是通過捕捉特征拉曼峰的可逆變化，明確了主導氣敏行為的活性物相，建立起從納米尺度結構動力學到宏觀器件功能的直接關聯，為高性能、低功耗氣體傳感器的理性設計提供了堅實的理論與實驗基礎。該成果以“Probing the Structural Dynamics of In2O3Using in Situ Raman Spectroscopy: Bridging Material Dynamics and Sensor Functionality”為題發表于化學領域頂級期刊Angew. Chem. Int. Ed.。2023級博士研究生趙娜與常曉副教授為共同第一作者，劉相紅教授和張軍教授為共同通訊作者。
四、氣體傳感機理綜述系統闡釋“n-p型轉換”現象
在推進實驗技術創新的同時，團隊在氣體傳感基礎理論方面也取得重要進展。2023級碩士研究生楊瀟作為第一作者，撰寫了題為“Conductivity-Type Transition in Gas Sensing: Phenomena, Mechanisms and Applications”的綜述論文,發表于國際頂級期刊Coord. Chem. Rev.(IF=23.5)。該文章系統梳理了氣體傳感過程中長期存在的“n-p型導電轉換”現象，針對其內在機理不明、實驗現象難以統一解釋的領域困惑，首次建立了從現象分類、機理闡釋到應用展望的完整框架。文章澄清了該類轉換行為的多重物理化學起源，有效解決了長期以來在傳感機制理解上的爭議，為理解半導體氣敏材料的動態行為和設計下一代智能傳感器提供了重要的理論依據，彰顯了團隊在氣體傳感領域“理論認知”與“實驗創新”協同并進的研究特色。
五、學術交流活躍，人才培養成效顯著
團隊的多項成果，在近期召開的“第十八屆全國敏感元件與傳感器學術會議暨第十六屆全國氣濕敏傳感技術學術交流會”上獲得了學界廣泛關注。劉相紅教授作邀請報告，鄭威副教授、研究生鞠曉蕾、陳奕霖作口頭報告，趙娜、楊瀟等做海報展示。其中，鄭威副教授獲“優秀口頭報告獎”，博士研究生趙娜和碩士研究生鄭文陽獲“優秀海報獎”。這些學術榮譽充分展示了該團隊在敏感元件與傳感器領域扎實的研究積累與活躍的學術影響力，體現了團隊在科研創新與高水平人才培養方面的顯著成效。
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