多年來，氣體傳感器因其在醫療診斷、環境監測、工人安全和食品質量控制等各個領域的應用而引起了人們的極大興趣。對于這些應用，理想的氣體傳感器應具有對跟蹤目標的高靈敏度和選擇性、快速響應/恢復能力、低能耗和成本效益。

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

金屬氧化物半導體（MOS）因其低成本和良好的化學穩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）下的有效運行，通常需要外部光激活或熱能來激發載流子，從而在氣體檢測中實現高靈敏度。為滿足氣體傳感器的市場需求，開發獨立于外部熱和光激活的傳感材料已成為化學電阻氣體傳感器領域的熱門話題。雖然常見的策略主要依賴于貴金屬改性和元素摻雜來提高載流子濃度，但從成本效益的角度來看，需要高效簡單的方法。

雙異質結的設計是一種廣泛而有效的策略，可以改善半導體中的電子-空穴分離，從而提高載流子濃度，以改善相關表面催化反應的性能。然而，對載流子輸運的有限控制可能會對基于異質結的樣品的傳感性能產生影響。在這方面，正常的方法涉及產生內部電場（IEF）來加速電子傳輸，從而提高目標氣體的傳感性能。然而，多異質結結構的發展仍面臨許多挑戰，如勢壘效應和界面接觸不良，嚴重阻礙了電荷傳輸效率。作為使用IEF加速電荷轉移的替代方案，構建特殊的化學橋將為電荷傳輸提供額外的途徑；這將導致電子-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，探索異質結構中界面化學和電荷轉移的基本機制是另一項重要任務。

本文亮點

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和導電聚吡咯（ppy）集成到TiO2納米管陣列（TiNT）上，開發了一種無活化的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異質結（TiO2/ppy和ppy/MoOx）的傳感芯片在沒有任何激活的情況下表現出優異的NO2傳感性能，如超高響應（Rg/Ra=11.96,1ppm）、快速響應/恢復能力（9/11秒）、可靠的可重復性、高選擇性和存儲穩定性。

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

4. 除了純目標氣體外，該傳感器還能夠分析復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傳感芯片的機理分析；（c）使用準備好的傳感器進行實時呼吸分析。

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。（b）TiNTs、TPNTs、TMNTs和TPMNTs的氣體響應。（c）TPMNT的動態傳感曲線和擬合線性關系。（d）響應/恢復時間和（e）TiNTs、TPNTs、TMNTs和TPMNTs的選擇性。（f）TPMNT的抗干擾能力，（g）濕度效應，以及（h）長期穩定性。（i）比較現有系統和最先進的NO2傳感器的響應。

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。

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

圖7. （a）MCU集成氣體傳感器的照片和智能手機上NO2監測的圖示。（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。（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反應的變化。

來源：柔性傳感及器件