氧化鋅/硫化亞鐵異質結乙醇氣敏傳感器的研究

摘要 乙醇檢測在食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康監(jiān)測和預防酒駕等領域具有重要作用。本研究采用商用陶瓷銀電極為襯底制備了氧化鋅/硫化亞鐵（ZnO/FeS）納米異質結乙醇傳感器，研究了傳感器對乙醇氣體的傳感特性。結果表明， ZnO 材料呈現納米線結構， FeS 以納米片的形式包覆在ZnO 納米線上。傳感器在相對濕度為30%～60%的環(huán)境中對乙醇具有良好的檢測性能，檢測范圍為0.2～50 mg/m3。在300 ℃最佳工作溫度下，構建的ZnO/FeS 納米異質結傳感器對50 mg/m3 乙醇的響應為15.6，響應時間為5.0 s，檢出限低至0.101 mg/m3，明顯優(yōu)于商用乙醇傳感器。與CO、NH3 和丙酮等其它氣體相比，此傳感器對乙醇具有高選擇性，并在長達30 d 內能夠穩(wěn)定工作，在低成本、高性能乙醇氣體檢測領域具有良好的應用潛力。

關鍵詞 異質結；氧化鋅；硫化亞鐵；乙醇；氣敏傳感

氧化鋅（ZnO）是一種在室溫下具有直接帶隙的n 型半導體，具有高電子遷移率、熱穩(wěn)定性和良好的電學性能，被廣泛應用于光電、新能源和氣敏傳感等領域[1]。ZnO 氣敏傳感器可用于檢測丙酮、氨氣和一氧化碳等[2]有毒有害氣體，或者乙醇[3]、氫氣[4]和甲烷[5]等易燃易爆炸氣體，在工業(yè)生產和日常生活中具有重要的應用價值，因此備受研究人員青睞。比表面積和活性位點都是影響氣敏傳感器的重要因素。納米材料具有比表面積大和活性位點多的優(yōu)點，因此，制備具有新穎結構的納米材料是提升氣敏傳感器性能的有效途徑。近年來，基于納米材料的新型傳感器引起了研究人員的廣泛關注，如納米棒、納米線、納米片和分層結構[2]。其中，納米線和納米片是常見的納米結構，具有較大的比表面積、較多的活性位點和良好的穩(wěn)定性，非常適合氣體傳感。Mani 等[6]開發(fā)了基于ZnO 納米片的微傳感器，對乙醛和甲醛具有較高的靈敏度，響應時間在10 s 以內，檢出限為0.05 mg/m3。Gu 等[7]采用水熱法制備了基于ZnO 納米線摻雜Au 的微傳感器，在較低的工作溫度下，對一些有機蒸氣（如乙醇和正丁醇）表現出高響應。盡管ZnO 氣敏傳感器取得了較大的研究進展[8]，但也面臨著一些挑戰(zhàn)。例如， ZnO 氣敏傳感器需要較高的工作溫度激活氧的化學吸附和提高目標氣體的反應活性，但是高溫會降低傳感器的穩(wěn)定性[9]并減少使用壽命[10]。另外， ZnO容易潮解，大氣中的水分子在高溫下會與ZnO產生物理吸附和化學反應[11]，對氣體檢測產生嚴重干擾。為了應對這些挑戰(zhàn)，研究人員通過摻雜和異質結改善ZnO氣敏傳感器的氣敏性能。在已報道的研究中， ZnO常與其它的金屬氧化物構建異質結，如ZnO/CuO[12]、ZnO/NiO[13]和ZnO/Co3O4 [14]等。其中， ZnO/CuO異質結構[12]因其高穩(wěn)定性和優(yōu)異的氣敏傳感性能而備受關注，而且ZnO/CuO無毒、制備成本低，已成為高性能氣敏傳感器的研發(fā)熱點。

近年來，過渡金屬硫化物在氣敏傳感領域中展現出巨大的應用潛力。Qin 等[15]采用水熱法制備了具有優(yōu)異氣敏性能的立方/方形SnS 異構同質結，在室溫下，對10 和5 mg/m3 乙醇的響應值分別為4.41 和2.84，響應/恢復時間為6/9 s。Zhang 等[16]制備的海膽狀α-Fe2O3 空心微球/MoS2 納米片在室溫下對100 mg/m3 乙醇的響應高達88.90。此外， FeS 和SnS 等硫化物對H2S、SO2、SO3 和HF 等有害氣體同樣具有良好的檢測效果[17]。氧化物/硫化物異質結氣敏傳感器展現了良好的性能，顯示出良好的發(fā)展前景。然而，目前基于ZnO/FeS 異質結的氣敏傳感器鮮有報道。

本研究采用電化學沉積法在銀叉指電極上生長ZnO 納米線，并在此基礎上電化學沉積FeS 納米片，構建納米線/納米片的復合結構，研究了不同的沉積電位對ZnO/FeS 復合材料氣敏性能的影響，基于此制備了ZnO/FeS 異質結乙醇傳感器，并探討了氣敏傳感機理。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI760E 型電化學工作站（上海辰華公司）；ZNCL-G 型攪拌加熱油浴鍋（上海予申儀器有限公司）；LG13-201-1 型鉑片電極、LG13-401-1 型鉑片電極夾和LG13-302-1 型飽和甘汞電極（鋰閣科技有限公司）；MSP-300BTI 型射頻磁控濺射系統(tǒng)（北京創(chuàng)世威納科技有限公司）；SEISS Sigma 500 型掃描電子顯微鏡（德國卡爾蔡司公司）；X′pert Pro MFD 型X 射線衍射儀（荷蘭Nalytical 公司）；LabRAM HR UV-NIR型拉曼光譜儀（法國HORIBA Scientific 公司）；K-Alpha 型X 射線光電子能譜儀（美國賽默飛公司）；CGS-MT 型氣濕敏傳感器綜合測試平臺（北京精工科技有限公司）；SA3102 型雙源測量裝置（北京中科儀器儀表有限公司）；DGL-Ⅲ型濕度控制氣液分配系統(tǒng)（北京中科艾格科技有限公司）；Milli-Q Direct 8 型超純水系統(tǒng)（上海泰坦科技股份有限公司）。

硫脲（CH4N2S）、六次甲基四胺（C6H12N4）、聚乙二醇-400（H（OCH2CH2）nOH）、抗壞血酸（C6H8O6）、Zn（NO3）2·6H2O、KNO3 和（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O 均為分析純試劑；實驗用水為去離子水。

1.2 濺射ZnO 種子層

采用磁控濺射技術在商用的銀叉指電極上鍍上一層很薄、c 軸方向擇優(yōu)生長的ZnO 種子層，目的是控制銀叉指電極上納米線形貌，利于ZnO 納米線更好地向c 軸方向生長，使其擁有更大的比表面積。使用ZnO 靶材（純度為99.999%）在室溫下沉積，在沉積的過程中保持壓力為0.7 Pa，射頻功率為50 W，轉速為10 r/min，氣氛為氬氣環(huán)境。

1.3 ZnO 和FeS 生長液的配制

1.3.1 ZnO 納米線生長所需的溶液

稱取0.178 g 的Zn（NO3）2·6H2O、0.084 g六次甲基四胺和0.061 g 的KNO3，加入200 mL 去離子水溶解，攪拌均勻，再加入2 mL 聚乙二醇400，繼續(xù)攪拌，直至溶液為無色透明。

1.3.2 FeS 納米片生長所需的溶液

稱取6.275 g 的（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O、0.705 g 抗壞血酸和0.152 g 硫脲，加入200 mL 去離子水，攪拌溶解，直至溶液為無色透明。

1.4 電沉積ZnO 納米線

將ZnO 生長溶液和攪拌子放入密封式電解池中，并將電解池置入油浴鍋中加熱，設置溫度為81 ℃。使用三電極體系進行電化學沉積，工作電極為有種子層的銀叉指電極陶瓷片，對電極為鉑絲電極，參比電極為飽和甘汞電極，采用恒電位模式，設置沉積電位為–1.1 V，沉積時間為1 h，在81 ℃條件下進行電化學沉積。以去離子水沖洗沉積得到的ZnO 納米線，置于干燥箱中干燥，備用。

1.5 電沉積FeS 納米片

采用相同的工藝在ZnO 納米線上沉積FeS，沉積時間為60 s。沉積完成后，用去離子水沖洗器件，置于干燥箱中干燥，備用。

將沉積電位為–1.1、–1.15、–1.2 和–1.25 V 時制備的樣品分別命名為R0、R1、R2 和R3。

1.6 氣敏傳感性能測試的方法

采用CGS-MT 型氣濕敏傳感器綜合測試平臺測試樣品的氣敏性能。該平臺由溫控系統(tǒng)（控制傳感器的工作溫度）、氣液配氣系統(tǒng)（液體配氣和氣瓶配氣）和數據采集系統(tǒng)（采集器件信號變化的數據）組成。首先，將沉積ZnO/FeS 的叉指電極放入加熱臺老化3 d；然后，將老化后的薄膜傳感器放入氣濕敏傳感器綜合測試平臺的中央，并調整探針位置，將薄膜傳感器的引腳連接，氣體傳感器的工作溫度由溫控系統(tǒng)設置；最后，通過程序配制一定濃度的待測氣體并注入測試腔室，進行氣體傳感的性能測試。對于n 型半導體ZnO/FeS 的響應值定義為S=Ra/Rg，即傳感器在空氣中的穩(wěn)定電阻值（Ra）與傳感器在待測氣體中的穩(wěn)定電阻值（Rg）的比值。響應時間為傳感器從空氣中進入待測氣體后，傳感器的電阻值達到總電阻值的90%時所用的時間[2]。

2 結果與討論

2.1 樣品形貌表征與晶體結構分析

對電沉積制備的ZnO/FeS 材料的形貌進行掃描電子顯微鏡（SEM）表征。R0～R3 樣品的SEM 圖像如圖1 所示，大部分的納米結構以ZnO 納米線和FeS 納米片為主，少部分為ZnO 微米線（圖1A、1C 和1E）。在圖1A、1C、1E 和1G 中可觀察到納米線陣列與較多微米線的復合結構；在圖1B、1D、1F 和1H 中可觀察到隨著沉積電位升高，在納米線的表面呈現生長更多FeS 納米片的趨勢。在–1.2 V 電位下，在納米線和微米線的表面生長了許多微小的FeS 納米片（圖1F），形成了納米線/微米線-納米片的復合結構形貌。在–1.25 V電位下，納米片尺寸更大，部分納米片直接包覆在納米線的表面生成了核殼結構（圖1H）。

陶瓷電極尺寸較小，不利于XRD 測試，因此在更大尺寸的銅片上沉積ZnO/FeS 薄膜，對其進行XRD測試。如圖2A 所示，樣品在32.0°、34.3°、36.2°、47.9°和63.1°處出現了5 個峰，對照標準卡片JCSD36-1451 可知，這5 個峰均屬于ZnO 的衍射峰，證實沉積的異質結復合材料中存在ZnO。在43.2°、50.4°和74.0°處出現的3 個強峰是Cu 的衍射峰，與本實驗用銅片基底沉積ZnO/FeS 薄膜相吻合。然而，在XRD 圖譜上未觀測到有關FeS 的顯著衍射峰。因此，需要采用其它檢測技術進一步確認FeS 的存在。4 個ZnO/FeS 納米復合材料樣品的拉曼光譜圖如圖2B 所示，在100 和434 cm–1 處出現2 個拉曼特征峰，其中， 100 cm–1 處的峰對應標準的ZnO 低頻E2g 模式的峰[18]， 434 cm–1 處的峰對應ZnO 高頻E2g 模式（438 cm–1）[18]，證實了ZnO 納米線的存在。在295 cm–1 處的峰歸屬于CuO 的特征峰，這是因為在銅片上沉積的薄膜會存在少量的基底峰。在非諧振拉曼散射光譜中，99 cm?1 處的E2g（低）模式和439 cm?1 處的E2g（高）模式占主導地位，表明樣品具有較好的晶體質量[18]。在146、334 和377 cm?1 處出現了3 個拉曼特征峰，其中， 146 cm–1 處的峰歸屬于單質S 的S–S 振動特征峰[19]， 334 和377 cm–1 處的2 個強峰對應FeS 的Fe–S 振動（B1g 模式）[20]，表明復合材料中存在FeS，并含有微量的單質S。

2.2 X-射線光電子能譜（XPS）分析

圖3 為ZnO/FeS 納米異質結復合材料的XPS 測試結果。如圖3A 所示，除了參考的C 元素峰之外，在材料的表面還檢測到Zn、Fe、O 和S 這4 種元素。結合R0～R3 元素全譜圖可知，結合能約為1045 和1024 eV 的2 個強峰分別對應Zn 2p1/2 和Zn 2p3/2，來源于ZnO 中的Zn2+[21]。Fe 2p 元素圖譜存在結合能約為712 和720 eV 的2 個強峰，分別對應Fe 2p1/2 和Fe 2p3/2，說明Fe 以Fe2+的形式存在于FeS 中[22]，此結果與XRD 和拉曼光譜的分析結果一致。此外， R0 樣品中FeS 含量相對較少， Fe 2p 精細圖譜也證實了此現象（圖3B）。Zn 2p 精細圖譜顯示R0 的Zn 具有比其它樣品更高的化學結合能（圖3C）。由此可知，R0 樣品表面以ZnS-FeS 復合材料的形式存在， ZnS 中的Zn 具有較好的化學活性。

對于ZnO/FeS 納米異質結復合材料，材料的氧空位（OV）、吸附氧（OC）和硫空位對其氣敏傳感性能具有重要作用。其中，氧空位主要影響材料的電子傳輸速率，即影響材料的氣敏響應速率；吸附氧和硫空位主要影響材料氣敏的響應值。如圖4A 和4B 所示， R0～R3 這4 個樣品中的氧空位濃度非常接近，均在34.66%～38.05%之間。在理想條件下，當氧空位對電子傳輸速率起決定性作用時， 4 個樣品的氣敏響應速率應基本一致。如圖4B 所示，低電壓沉積時， ZnO/FeS 納米異質結復合材料（R0）的吸附氧濃度為51.59%；隨著電壓增大，吸附氧濃度先大幅度降低而后小幅度提高，基本穩(wěn)定在36%左右（R2 和R3）。與氧空位不同，在XPS 中，硫空位的濃度是通過間接形式確定的。Liu 等[23]認為，位于170.0 和164.5 eV附近的S 2p 峰歸屬于高價態(tài)Sn+；Sn+濃度越低，硫空位濃度越高。如圖4C 所示，在–1.10～–1.20 V 之間，隨著沉積電壓增大， 170.0 eV 處的S 峰迅速降低，當沉積電壓為–1.2 V 時， R2 峰值最小；進一步將沉積電壓提高至–1.25 V， 170.0 eV 處的S 峰反而急劇增高。如圖4D 所示，沉積電壓在–1.10～–1.25 V 之間變化時， Sn+濃度從低到高依次為R2→R0→R3→R1。因此， 4 個樣品的硫空位濃度從高到低依次為R2→R0→R3→R1。

2.3 ZnO/FeS 納米材料的氣敏測試及分析

ZnO 乙醇傳感器的理想工作溫度通常為250～300 ℃[24]，因此，本研究在此溫度范圍內進行實驗。R0～R3 器件分別在250～300 ℃下對50 mg/m3 乙醇的響應如圖5A 所示，隨著溫度升高，器件的響應值逐步增大，表明升高工作溫度可以提高器件對氣體的響應。由圖5A 還可見，在不同工作溫度下， R2 器件對乙醇的響應最優(yōu)，在300 ℃工作溫度下對50 mg/m3 乙醇的響應最高（15.6），這主要歸因于R2 具有最高的硫空位濃度和較大的吸附氧濃度（圖4）以及較大的比表面積（圖1）。本研究組在前期研究中發(fā)現，器件長期處于300 ℃ 以上的高溫環(huán)境中工作時，電極中的Ag 原子會緩慢地擴散到ZnO 材料中，形成透明導電的銀摻雜氧化鋅材料AZO（電阻值約為5～10 Ω），導致器件失效，這是因為電阻式氣敏傳感器必須要處在一個非常高的電阻值狀態(tài)（103～106 Ω）才能夠進行氣敏性能測試。因此，本研究將300 ℃作為ZnO/FeS 納米復合材料氣敏傳感器的最佳工作溫度。此外，在300 ℃時， R1 的響應值迅速增大，并與R0 的響應值相當。這可能是由于在300 ℃條件下， R1 內部的氧空位對電子傳輸作用顯著增強（R1 的氧空位比R0 大2.9%），并與材料表面的硫空位形成了良好的協同作用，導致R1 樣品對乙醇的響應迅速增大。R0～R3 在250～300 ℃下對50 mg/m3 乙醇的響應時間如圖5B 所示，可見隨著工作溫度上升，器件的響應時間不斷縮短。在300 ℃下， R0～R3 器件的響應速率最快，響應時間分別為3.0、4.0、5.0 和13.6 s。雖然R0 的響應時間最短，但考慮綜合性能， R2 在4 個器件中性能最優(yōu)。

在300 ℃下，器件R2 對50 mg/m3 乙醇的響應值為15.6，響應時間為5 s（圖6A）；在室溫下，器件R2對50 mg/m3 乙醇的響應值為1.18，響應時間為61.9 s（圖6B）；在300 ℃下， R2 器件對0.101 mg/m3 乙醇氣體的響應值為1.09，響應時間為34.0 s（圖6C）。檢出限（LOD）定義為傳感器在特定操作條件下可以識別的待測氣體的最低濃度[2]。通常， LOD 可簡單地通過信噪比大于3 確定。但是，在實驗室現有條件下，本研究測到的最低濃度乙醇為0.101 mg/m3。因此將0.101 mg/m3 作為本傳感器的檢出限，優(yōu)于文獻[25]制備的ZnO/SnO2 異質結薄膜乙醇傳感器（檢出限為1 mg/m3）。

為了探究R2 器件的氣敏性能，在最佳工作溫度下對不同濃度的乙醇進行梯度測試。在300 ℃下，R2 器件對0.2～1 mg/m3 乙醇氣體的響應如圖7A 所示，當乙醇濃度為0.2 mg/m3 時，響應值為1.19，響應時間為46.0 s；當乙醇濃度為0.4 mg/m3 時，響應值為1.23，響應時間為66.9 s。圖7B 為R2 器件對0.2～1 mg/m3 乙醇的線性擬合圖，線性擬合曲線的相關系數R2=0.913，說明在此濃度范圍內R2 器件對乙醇濃度具有良好的線性關系。在300 ℃下， R2 器件對2～50 mg/m3 乙醇氣體的響應如圖7C 所示，當乙醇濃度從2 mg/m3 增至50 mg/m3 時，響應值和響應速率在整體上依然呈逐步增加的趨勢。當乙醇濃度為2 mg/m3 時， R2 的響應值為2.63，響應時間為34.0 s；當乙醇濃度為5 mg/m3 時，響應值為5.25，響應時間為17.0 s。相比而言，濃度增加1 倍，響應值也增加近1 倍，響應時間縮短一半。圖7D 為R2 器件對2～50 mg/m3 乙醇的線性擬合圖， R2=0.948，說明在此濃度范圍內R2 器件響應值對乙醇濃度具有良好的線性關系，也說明R2 在高濃度環(huán)境下具有高靈敏度。

考察了R2 器件的重復性、長期穩(wěn)定性、選擇性和抗?jié)裥阅?。圖8A 是R2 在300 ℃下對50 mg/m3乙醇8 個循環(huán)測試的響應圖。由于器件的累積效應[26]，隨著循環(huán)次數增多，器件的響應值不斷增大，表明R2 器件對乙醇氣體具有良好的重復性。圖8B 是R2 器件在30 d 內對50 mg/m3 乙醇的響應圖，以5 d 為1 個周期間隔進行長期的響應監(jiān)測，發(fā)現其響應值除在25 d 出現輕微衰減（7.6%）外，其余均大于16（初始值為15.56），表明R2 器件具有良好的長期穩(wěn)定性。

研究了R2 器件對乙醇、氨氣和丙酮等多種氣體的響應，以評估器件的選擇性。圖8C 為R2 器件在300 ℃下對50 mg/m3 乙醇、氨氣、丙酮、甲醛、正丙醇和CO 的響應圖，通過數據計算得出，乙醇、氨氣、丙酮、甲醛、正丙醇和CO 對應的響應值分別為15.56、1.26、3.56、1.06 和1.61。顯然， R2 器件對乙醇的響應顯著高于其它氣體，即對乙醇具有高選擇性。其中， CO 和氨氣是還原性氣體，由此可知，R2 器件對其它還原性氣體不敏感，即對還原性氣體具有較好的抗干擾性。在確定的工作溫度下，化學吸附、表面化學反應和表面勢壘是影響氣體選擇性的關鍵因素[27]。此外，所制備的ZnO/FeS 納米復合材料的化學吸附激活能和表面勢壘應是比較接近乙醇化學吸附的理想閾值[27]。與氨氣、丙酮和甲醛等氣體相比，乙醇具有更多的表面化學反應路徑；300 ℃時，表面化學反應激活能更符合乙醇某種分解反應所需的能量，但遠遠偏離其它氣體的反應激活能[27]。因此， ZnO/FeS 納米復合材料對乙醇具有高選擇性。圖8D 為相對濕度為30%～60% 時R2 器件對50 mg/m3 乙醇的響應圖。當相對濕度由30%增至60%時， R2 器件的響應值先增大后減小；當相對濕度達到60%時， R2 器件的響應值降到最低，但仍然高達13.6。這表明在相對濕度為30%～60%條件下R2 器件可以穩(wěn)定工作，具有優(yōu)異的抗?jié)裥阅堋?/p>

表1 為本傳感器與文獻[28-35]報道的基于ZnO 基材料的乙醇氣體傳感器的性能對比。靈敏度（D*）是器件的響應值（S）與氣體濃度（C）的比值（即D*=S/C），靈敏度越高，說明器件對目標氣體的氣敏性能越好。通過計算得出R2 器件的靈敏度最大為1.05。雖然ZnO/ZnS[29]、Au/ZnO[30]和ZnO/In2O3[33]的靈敏度比R2 高，但是工作溫度均高于R2 器件。綜合比較，本研究制備的ZnO/FeS 氣敏材料性能與上述3 種材料相當。與水熱法、溶膠-凝膠法和靜電紡絲等制備方法相比，電化學沉積法具有設備投資少、生產成本低、工藝簡單、工序少以及適合大規(guī)模生產等優(yōu)點。與現有的商業(yè)化乙醇傳感器相比， ZnO/FeS對低濃度乙醇具有高靈敏度，響應時間短（商業(yè)化乙醇傳感器的響應時間約為14～20 s），制備成本與其相當，并且生物毒性低。因此，從氣敏性能和制備工藝及成本等方面綜合考慮，電化學沉積制備ZnO/FeS 氣敏材料具有廣闊的應用前景。

2.4 氣敏機理分析

當傳感器處于空氣環(huán)境氛圍時，空氣中的氧氣被吸附到FeS 納米片的表面，經過化學吸附形成吸附氧O?和O2?（見反應式（1）～式（3）），并在FeS 納米片表面形成較大的電子耗盡層（電阻值升高）。此時，通入乙醇氣體，乙醇與ZnO/FeS 納米復合材料接觸后，會與吸附氧產生化學反應，生成H2O、CO2 和電子，而新生成的電子重新進入材料，減少電子耗盡層的厚度（電阻值降低），如反應式（4）和式（5）所示。本研究中ZnO/FeS 納米復合材料的優(yōu)異氣敏傳感性能主要歸因于納米結構和n-n 異質結效應。將ZnO 納米線/FeS 納米片視為具有大比表面積的3D 花球（圖1）。XPS 測試結果表明，納米片存在較多的原子空位（較多的活性位點）和吸附氧（圖4）。因此， ZnO/FeS 納米復合材料可吸附大量的吸附氧，有利于增強對乙醇氣體的響應。此外，一維ZnO 納米線陣列表面具有大量的活性位點，可沿一維軸向形成連續(xù)導電通道，有助于提高載流子的遷移率，進而提升器件的響應速率[36]。ZnO 和FeS 形成n-n 型異質結，導致FeS能帶發(fā)生彎曲現象[37]，促使電子從FeS（Eg=0.5 eV）流向ZnO（Eg=3.37 eV）（圖9A），形成內部電場（異質結界面勢壘），并增大表面勢壘。通入氧氣時，氧氣從FeS 奪取電子，減小了異質結界面處的勢能勢壘高度，有利于電子遷移（圖9B），為FeS 納米片吸附還原性氣體時電阻最大幅度下降創(chuàng)造了有利條件[2]。此時，在外加電勢作用下，內部電場形成的電子-空穴對發(fā)生分離，空穴傾向于流向負場，而電子向相反方向（正場）運動，導致電子-空穴對有效分離，增強了ZnO/FeS 納米復合材料的氣敏傳感性能[38]。因此，制備的ZnO/FeS 納米復合材料對乙醇具有高且快速的響應。

O2（gas）→O2（ads） （1）

O2（ads） + e–→O2?（ads）（Tlt;100 ℃） （2）

O2–（ads） + e–→2O?（ads）（100 ℃lt;Tlt;300 ℃） （3）

C2H5OH（gas）→C2H5OH（ads） （4）

C2H5OH（ads）+6O–→2CO2（gas）+3H2O（gas）+6e– （5）

3 結論

采用電沉積技術制備了ZnO/FeS 納米異質結傳感器，其ZnO 納米線/FeS 納米片復合結構具有較大的比表面積和較多的活性位點。氣敏性能測試結果表明，在300 ℃下，本傳感器對50 mg/m3 乙醇的響應高達15.6，響應時間僅需5 s，檢出限低至0.101 mg/m3，明顯優(yōu)于現有商業(yè)化乙醇傳感器。本傳感器具有良好的長期穩(wěn)定性和抗?jié)裥阅?，并對乙醇具有高選擇性。本研究制備的ZnO/FeS 納米異質結傳感器成本低、性能優(yōu)良，在乙醇氣體檢測領域具有廣闊的應用前景。

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廣東省教育廳新一代電子信息（半導體）重點領域專項項目（No. 2023ZDZX1031）、五邑大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（Nos. 202311349320，202311349317）和五邑大學-江門市鼎翔電子科技有限公司聯合項目（No. HX23068）資助。