局域表面等离子体共振效应主导的高灵敏度高选择性室温甲醛气体传感器研究

为解决半导体气体传感器普遍存在的灵敏度不足和工作温度过高问题，研究人员通过设计金/银修饰In2O3纳米立方体，系统研究了光电效应与局域表面等离子体共振(LSPR)效应电子生成差异及其对气敏性能的影响。该研究成功开发出室温自然光辅助的高选择性甲醛传感器，首次揭示敏感材料导带边缘能级与选择性的关联机制，并通过密度泛函理论(DFT)证实LSPR效应通过降低电子-空穴复合率提升性能，为开发低能耗高性能气体传感器提供了新策略。

在现代工业快速发展的背景下，挥发性有毒气体导致的酸雨、温室效应等环境问题日益严峻，这对气体传感技术提出了更高要求。传统半导体气体传感器虽具有结构简单、成本低廉等优势，却长期受困于两大技术瓶颈：一是需要高温工作环境导致能耗巨大，二是高温下物质反应活性增强导致选择性下降。如何实现室温高效检测成为领域内亟待突破的科学难题。

针对这一挑战，天津大学的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表创新性研究。该团队敏锐注意到，太阳光中的可见光占比高达45%，而传统半导体因宽带隙特性难以有效利用。受贵金属纳米粒子局域表面等离子体共振(LSPR)效应的启发，研究人员设计出金/银修饰的In₂O₃纳米立方体传感器，通过系统比较不同波长光照下的气敏特性，首次揭示了LSPR效应与光电效应的本质差异及其对性能的影响机制。

研究采用水热法和共沉淀法构建材料体系，结合X射线衍射(XRD)和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)进行结构表征，通过密度泛函理论(DFT)计算验证电子转移机制。实验发现：Ag-In₂O₃传感器在自然光下对50 ppm甲醛的响应值达纯In₂O₃的3.2倍，且响应恢复时间缩短40%。通过能带结构分析，创新性提出敏感材料导带边缘能级是决定选择性的关键因素——当目标气体分子最低未占据分子轨道(LUMO)与材料导带能级匹配时，电子转移效率显著提升。DFT计算证实，LSPR效应产生的热电子源自金属粒子而非半导体本体，这种独特的电子来源使电子-空穴复合率降低62%，从而大幅提升灵敏度。

在结论部分，研究阐明了三个重要发现：首先，贵金属LSPR效应可将光响应范围拓展至可见光区，实现室温下9.8倍于黑暗条件的响应增强；其次，导带边缘能级与气体分子LUMO的匹配度是选择性的决定性因素；最后，金属-半导体界面形成的肖特基结能有效捕获LSPR热电子。这些发现不仅为理解气敏机制提供了新视角，更开创了"能级工程"调控选择性的新范式。

这项研究的突破性意义在于：首次建立LSPR效应与气敏性能的定量构效关系，提出的室温传感策略使功耗降低至传统加热模式的1/20。通过将太阳光利用率从不足5%提升至38%，为开发新一代环境友好型传感器指明了方向。该成果对大气污染物监测、智能家居、工业安全等领域具有重要应用价值，相关能级匹配理论还可拓展至其他气敏体系的设计优化。