【国内论文】SAB丨东北大学：氧化镓异质结构传感器迎来新突破！基于 Ga₂O₃/MoS₂ 异质结构的室温NO₂ 气体传感器

        由东北大学的研究团队在学术期刊 Sensors and Actuators: B. Chemical 发布了一篇名为Gas Sensor Based on Ga₂O₃/MoS₂ Heterostructure for NO₂ Sensing at Room Temperature（基于 Ga₂O₃/MoS₂ 异质结构的室温 NO₂ 气体传感器）的文章。

        《Sensors and Actuators: B Chemical》主要聚焦化学传感器、气体/液体传感技术及相关器件的研究与应用。它涵盖从材料设计、器件制备、信号处理到系统集成等全流程，尤其重视创新传感材料、纳米结构功能化以及高性能传感器的实际应用。该期刊在化学与材料科学领域的影响力极高，在传感器类/化学工程类中长期位居一区（Q1），是该领域内最具权威性和前沿性的 Top 期刊之一。

        二维二硫化钼（MoS₂）凭借丰富的表面活性位点、优异的室温载流子迁移率和低功耗特性，成为室温气体传感领域极具潜力的二维材料；二维氧化镓（Ga₂O₃）凭借其超宽禁带、高化学稳定性和良好晶格匹配度，是构建高性能异质结构的理想界面材料，二者复合可协同优化传感界面电子传输与气体吸附能力。但传统二维MoS₂基传感器在空气环境中易受氧气、水汽吸附干扰，导致基线漂移、恢复不完全、长期稳定性差；传统金属氧化物传感器需 150–400 ℃高温工作，功耗高、寿命短、安全性低。传统异质结构制备方法如溶液法、CVD、PVD均存在明显短板：溶液法需高温退火、工艺可控性差，CVD 依赖高真空环境与危险前驱体， PVD 设备成本高、难以规模化，传统试错实验还存在研发周期长、效率低、成本高等问题。

        钢铁工业烧结过程排放的二氧化氮（NO₂）亟需低成本、低功耗、可现场监测的技术，室温（25℃）传感因此极具吸引力。本研究采用射频磁控溅射法制备 Ga₂O₃/MoS₂ 异质结构薄膜传感器，用于化学电阻型NO₂检测。数据驱动筛选结合密度泛函理论（DFT）计算表明，Ga₂O₃/MoS₂ 对 NO₂ 的亲和力强于纯 MoS₂ 和纯 Ga₂O₃。实验结果显示，该溅射异质结构可在空气环境下实现室温 100 ppb 级 NO₂ 的可重复检测，且传感性能可通过调控膜层厚度进一步优化。在 365 nm 紫外光激活下，传感器响应动力学显著加快，响应时间与恢复时间均得到改善；同时，紫外光照下响应值从 0.48% 提升至 1.484%。该传感器对常见干扰气体具有良好选择性，在20%–80%相对湿度范围内响应波动极小；三周测试期内响应仅轻微下降，稳定性优异。最后，研究展示了一种便携式边缘终端，采用基于反向学习与量子粒子群优化的无迹卡尔曼滤波（OBL-QPSO-UKF）轻量化信号处理技术，实现稳定的实时信号输出。

        ·提出机器学习能带对齐筛选+DFT 验证+射频磁控溅射的 RDMS 闭环策略，规避传统试错实验弊端，高效制备高质量 Ga₂O₃/MoS₂ 异质结构。

        ·射频磁控溅射法制备的 Ga₂O₃/MoS₂ 传感器，实现室温空气环境下 100 ppb 级 NO₂ 高灵敏检测，兼顾低成本与规模化制备优势。

        ·引入 365 nm 紫外光激活技术，显著提升传感器响应值，同时加快响应与恢复速度，适配低功耗快速检测需求。

        ·集成 OBL-QPSO-UKF 滤波算法的便携式智能终端，有效抑制信号噪声、提升监测稳定性，适配工业现场实时监测场景。

        本研究结合机器学习辅助筛选、DFT验证与射频磁控溅射技术，建立了 RDMS 集成策略用于室温NO₂传感。经识别与实验验证，Ga₂O₃/MoS₂ 是高效的 NO₂ 检测异质结构，可在空气环境下实现室温 100 ppb 级稳定检测。传感器性能与膜层厚度相关，且 365 nm 紫外光照可进一步优化性能；同时具备优异的选择性、低湿度依赖性与长期稳定性。结构与化学表征证实，成功制备了表面粗糙、横向均匀、低结晶度的 Ga₂O₃/MoS₂ 异质薄膜；此外，集成 OBL-QPSO-UKF 滤波框架的便携式智能终端实现了稳定的实时信号输出。上述结果表明，溅射法制备的 Ga₂O₃/MoS₂ 异质结构为实用化室温 NO₂ 传感提供了极具前景的技术平台。

        本研究得到国家自然科学基金重大项目（72192830、72192831）、博士后特别资助项目（2022TQ0057）及111计划（B16009）的支持。

图 1 NO₂ 分子吸附在 (a) MoS₂、(b) Ga₂O₃和 (c) Ga₂O₃/MoS₂上的 DFT 优化结构

图 2 气体传感系统示意图

图 3 黑暗室温下，MoS₂ 厚度固定为 100 nm 时，Ga₂O₃ 厚度对 Ga₂O₃/MoS₂ 异质结构 NO₂ 传感性能的影响。(a-c) 不同 Ga₂O₃ 厚度传感器暴露于 100 ppb NO₂ 时的动态电阻变化。(d) 100 ppb NO₂ 下的恢复时间。(e) 传感器对 100 ppb NO₂ 的响应值

图 4 黑暗室温下，膜厚对 Ga₂O₃/MoS₂ 传感器检测 100 ppb NO₂ 重复性的影响。(a-f) 不同膜厚传感器三次重复暴露于 100 ppb NO₂ 时的动态电阻变化。(g) 三次 100 ppb NO₂ 暴露测试的恢复时间。(h) 三次 100 ppb NO₂ 暴露测试的传感器响应值

图 5 黑暗室温下，膜厚对 Ga₂O₃/MoS₂ 薄膜 NO₂ 传感性能的影响。(a-f) 不同膜厚传感器暴露于 100、500、1000 ppb NO₂ 时的动态电阻变化。(g) 100、500、1000 ppb NO₂ 下的恢复时间。(h) 传感器对 100、500、1000 ppb NO₂ 的响应值

图 6 黑暗室温下，Ga₂O₃/MoS₂ 异质结构传感器的选择性、浓度依赖性、湿度耐受性及稳定性。(a) 传感器对 1 ppm NO₂ 及多种干扰气体的响应。(b) 传感器响应值随 NO₂ 浓度变化关系及线性拟合。(c) 不同相对湿度下传感器对 1 ppm NO₂ 的响应。(d) 三周内传感器对 1 ppm NO₂ 的响应稳定性

图 7 室温下黑暗与紫外条件下 Ga₂O₃/MoS₂ 异质结构传感器的 NO₂传感性能对比。(a) 黑暗条件下对 100 ppb NO₂ 的动态响应曲线。(b) 黑暗与紫外条件下响应幅值对比。(c) 黑暗与紫外条件下响应时间对比。(d) 紫外光照下对 100 ppb NO₂ 的动态响应曲线。(e) 黑暗与紫外条件下恢复时间对比

图 8 Ga₂O₃/MoS₂ 异质结构薄膜的形貌、元素及微观结构表征。(a) SEM 图像、(b) SEM-EDS 元素映射图、(c) AFM 图像、(d) XRD 图谱、(e) TEM 图像、(f) SAED 图案

图 9 磁控溅射 Ga₂O₃/MoS₂ 异质结构薄膜的 XPS 表征。(a) 全谱、(b) Ga 2p、(c) O 1s、(d) Mo 3d、(e) S 2p 高分辨分峰拟合谱。所有结合能均以 284.8 eV 处的不定碳 C 1s 峰校准

图 10 (a)(b) 接触前后能带结构示意图。(c) 紫外光照下 Ga₂O₃/MoS₂ 异质结构的电荷分离机制。(d) Ga₂O₃/MoS₂ 气体传感器的 NO₂传感机制

DOI：

doi.org/10.1016/j.snb.2026.140167