近日，我校仪器科学与光电工程学院胡雪峰课题组联合广东工业大学章伟教授在光电耦合铁电异质结气敏传感研究方面取得新进展。研究团队构筑了Bi₂WO₆/SrBi₂Ta₂O₉（BWO/SBT）铁电薄膜异质结，利用光驱动铁电极化调制与持续光电导效应协同调控界面电荷分布，实现了室温下对低浓度二氧化氮（NO₂）的高灵敏检测。相关研究成果以“Photoelectric-coupled ferroelectric heterojunctions for ultrahigh NO₂ sensing with polarization-memory-driven charge modulation”为题，在线发表在《Advanced Science》。

NO₂是大气环境中重要的有毒有害气体，主要来源于燃料燃烧、机动车尾气以及工业生产排放等过程。即使在较低浓度下，NO₂也会刺激和损伤人体呼吸系统，并参与酸雨、近地面臭氧和光化学烟雾等污染过程。因此，发展可在室温下实现痕量NO₂检测的传感器，对于大气污染防治、工业排放监管和公共环境安全预警等具有重要意义。

针对传统半导体气敏器件通常依赖较高工作温度，能耗较高、温湿度干扰明显和低浓度检测能力不足等问题，研究团队设计了BWO/SBT铁电薄膜异质结，并引入可见光和铁电极化协同调控机制，构建了光照、电极化和气体吸附联动的工作模式。利用PFM和C-AFM表征发现，该异质结具有可逆铁电极化调控能力。在BWO层施加向下极化后，经532 nm可见光照射，器件电流方向和局域导电态发生明显变化；PFM畴结构演化进一步表明，原本处于向下极化状态的区域可在光照作用下逐渐转变为向上极化状态。该过程与异质结界面内建电场、光生载流子分离及铁电偶极重排密切相关。光照射后，器件在撤去光照后仍保持一定的电荷记忆特征，为后续室温NO₂传感提供了基础。

图1 BWO/SBT铁电薄膜异质结中的光致极化调制与导电态变化

在NO₂传感测试中，研究团队比较了未预极化、电极化、光照预处理以及光电耦合等不同工作模式下的器件响应。结果显示，单独电极化或单独光照预处理的增强效果有限，而光电耦合工作模式可显著提高NO₂响应。在该模式下，器件经光照和电极化协同预处理后，在NO₂响应阶段不持续光照，而在恢复阶段利用光照辅助脱附，从而实现较高响应和可重复循环检测。

图2 器件在两个工作模式下NO₂传感性能及光电气耦合传感机制

性能测试表明，在光电耦合工作模式下，器件对0.1–10 ppm NO₂响应值约为277%–530%，理论检测限为0.46 ppb，灵敏度为129.7% ppm⁻¹；相比之下，暗态电极化模式下器件在0.3–10 ppm范围内的响应仅为1.08%–66%，理论检测限为5.2 ppb，灵敏度为11.5% ppm⁻¹。器件同时表现出较好的长期稳定性和环境适应性，连续50天测试中基线和响应保持稳定；在10–100 ℃范围内均可工作，在室温和60 ℃条件下，5%–86%湿度范围内响应变化系数分别为3.94%和7.2%。此外，器件对NH₃、SO₂、H₂S和乙醇等干扰气体响应较弱，表现出较好的选择性。

研究团队结合实验结果和半定量势垒分析认为，铁电极化与持续光电导之间存在协同作用，共同调控器件界面电荷状态，使器件在NO₂吸附前处于更有利于载流子输运的界面状态；NO₂分子吸附后进一步引起界面电荷重新分布和电阻变化，从而产生增强的传感响应。该过程体现了光电耦合条件下的界面协同调制对气敏性能的提升作用。

综上所述，该研究将铁电极化调控、光生载流子分离、持续光电导和气体吸附过程集成于同一异质结器件体系，揭示了光电耦合调控界面电荷状态对室温NO₂传感性能的影响，为低功耗、高灵敏NO₂检测器件设计提供了新的研究思路，也为铁电氧化物异质结在环境气体传感领域的应用提供了实验依据。

上述研究工作得到了安徽省自然科学基金，安徽省科技攻关重点项目，安徽省重大专项以及国家自然科学基金项目等资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/advs.75968

（胡雪峰/文 胡雪峰/图 李军鹏/审核）

责任编辑：张彤奕佳