通讯员（李敏）作为目前主流气体检测仪器仪表的核心元器件和上游产品，半导体气体传感器已广泛应用于环境保护、工业过程控制、安全防爆以及医疗诊断等众多领域，在保障人身安全和改善环境质量方面发挥着不可替代的重要作用。另一方面，工作温度高、选择性不佳等问题仍然制约着该类气体传感器的发展，近年来利用各类纳米气敏材料制作新型半导体气体传感器成为了该领域的研究热点和重点。
在众多新型纳米气敏材料中，胶态量子点巨大的比表面积和优良的室温成膜性能使之极具发展潜力。光学与电子信息学院刘欢副教授研究团队与武汉光电国家实验室唐江教授课题组合作，在国际上较早开展了胶态量子点气敏材料及其半导体气体传感器的研究，取得了一系列工作进展。2014年5至10月，刘欢课题组研究人员以第一作者或通讯作者先后在Advanced Materials，Sensors and Actuators B-Chemical和Applied Physics Letters，等国际权威期刊上发表相关研究成果，同时与国外学术同行开展合作取得的研究成果发表在Nature Materials上。
刘欢课题组的博士生李敏等人尝试采用胶态法合成的硫化铅（PbS）量子点为半导体气敏材料，以室温旋涂法成膜并辅以有机配体置换形成器件，工艺简便且避免了传统气敏材料因高温煅烧造成的团聚现象。该器件在室温下对低浓度NO2表现出择优敏感性以及快速响应和恢复特性;而且创新地采用纸作为柔性衬底替代传统器件中的陶瓷刚性衬底，其优良的抗弯曲疲劳特性可满足对器件柔韧性有特殊要求的应用需求;同时结合理论计算解释了上述气敏效应的物理化学内涵。2014年5月相关文章“Physically flexible, rapid-response gas sensor based on colloidal quantum dot solids“发表于材料类国际顶尖杂志Advanced Materials, 2014, 26，2718-2724（影响因子15.4）。
随后，李敏等人发现p型的PbS量子点薄膜在较低工作温度下（135oC）对低浓度H2S气体表现出极高的灵敏度和优良的选择性，理论探测下限可低至17ppb。因此，通过改变工作温度可以分别获得对NO2和H2S气体的择优敏感性。2014年7月22日，相关文章“Resistive gas sensors based on colloidal quantum dot (CQD) solids for hydrogen sulfide detection”在线发表于传感器领域的国际权威期刊Sensors and Actuators B-Chemical (DOI: 10.1016/j.snb.2014.07.058)。
在上述研究基础上，刘欢课题组与多伦多大学Sargent教授课题组合作研究出了空气中稳定的n型PbS量子点气敏材料。通过对材料导电类型的宏观调控，为胶态量子点气敏材料及传感器的设计和制备提供了新的自由度。2014年8，相关合作研究文章” Air stable n-type colloidal quantum dot solids”发表于材料类国际顶尖杂志Nature Materials, 2014, 13, 822-828（影响因子36.4）。
与此同时，刘欢课题组硕士生徐宋曼采用水热法合成了环境友好的氧化锡胶态量子点，通过室温成膜及配体置换设计并制作出硫化氢气体传感器。相比于传统氧化锡气敏材料，其制备工艺更简单，同时实现了低温（70oC）下对低浓度硫化氢气体具有高的灵敏度、快速的响应恢复特性、重复特性以及选择性。同时针对胶态量子点的尺寸特征，基于半导体物理与化学吸附理论建立了小尺寸量子点的平带能带模型，计算出了H2S与氧吸附反应引起氧化锡量子点薄膜费米能级上移量与气体浓度变化的关系，与实验结果吻合。2014年10月23日，相关文章”Chemiresistive gas sensors employing solution-processed m oxide quantum dot films”发表于应用物理领域国际权威期刊Applied Physics Letters, 2014, 105, 163104。
上述研究工作受到了国家自然科学基金（61006012，61274055）, 教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET120216）, 华中科技大学自主创新基金传感器技术重点专项, 华中科技大学光电信息学院人才培育基金以及华中科技大学博士学位论文创新基金等项目的资助，同时还得到了光电信息学院傅邱云教授课题组的合作支持。
图1：不同衬底上PbS量子点在室温下对二氧化氮的响应图以及理论计算的态密度图
图2： PbS量子点对不同浓度硫化氢气体的响应图及其选择性
图3： SnO2量子点对H2S气体响应的重复性及平带能带模型
