一种用于亚ppm级检测的高稳定性原位Pt修饰溅射ZnO氢气传感器的实验与计算验证
材料科学
2025-12-01 v1 应用物理
摘要
在这项工作中，我们提出了一种基于Pt修饰ZnO薄膜的氢气检测气体传感器，该传感器采用溅射技术和原位Pt修饰方法制造。具体而言，我们在叉指电极基底上沉积ZnO薄膜，并通过短暂溅射（1至6秒）将Pt纳米团簇添加到(002)极性面上，以创建活性传感界面。我们的传感器在498 K的工作温度下表现出最佳性能，具有快速的响应和恢复时间（10秒和3秒）、高选择性和长期稳定性。我们发现，Pt沉积时间为2秒的Pt修饰ZnO传感器对1%氢气浓度表现出增强的响应（约52,987%），表明其适用于工业和环境监测应用。此外，我们的器件展示了对低氢气浓度（约100 ppb）的可靠检测，响应约为38%，且在一年的测试中无响应漂移，突显了传感器的长期稳定性。为阐明Pt沉积和原始ZnO在氢气传感中的作用，我们进行了密度泛函理论计算，分析了在有和没有Pt修饰的ZnO(002)表面上，涉及H2、O2、O、OH和H2O以及晶格氧原子的吸附和反应能量学。我们的计算数据与实验结果一致，确定了暴露氧的(002)表面对于原始和Pt修饰ZnO的氢气传感最为活跃。此外，我们的计算突显了Pt通过以下方式增强氢气灵敏度的作用：i) 激活吸附OH的自还原路径，ii) 吸附的分子H2自发解离，以及iii) 保持形成H2O的晶格氧路径活跃。我们结合实验装置与理论见解的系统性传感器设计方法，是开发和优化高效氢气传感器的关键。
引用
@article{arxiv.2508.07455,
title = {Experimental and Computational Demonstration of a Highly Stable, in-situ Pt Decorated Sputtered ZnO Hydrogen Sensor for sub-ppm Level Detection},
author = {Puja Ghosh and Pritam Ghosh and Rizwin Khanam and Chandra Shekhar Prajapati and Aarti Nagarajan and Shreeja Das and Rakesh Paleja and Sharan Shetty and Gopalakrishnan Sai Gautam and Navakanta Bhat},
journal= {arXiv preprint arXiv:2508.07455},
year = {2025}
}