博士生庞冬晴ACS Sensors: 富氧空位氧化铟，实现ppb级别痕量臭氧检测

2026年8月，《ACS Sensors》期刊刊登了课题组庞冬晴博士生的研究成果： Oxygen-vacancy-rich In2O3 for highly sensitive and low-limit ozone detection at ppb levels. (https://doi.org/10.1021/acssensors.6c01985)

【Graphical Abstract】

【背景介绍】

臭氧（O₃）是一种强氧化性气体，即使在 ppb 级浓度下长期暴露，仍可能对人体呼吸系统和肺功能造成不利影响。此外，数据中心内高密度服务器集群及高压设备运行中产生的电晕放电，会使臭氧持续生成并在封闭环境中积聚；臭氧与含硫 / 氮等腐蚀性气体的协同作用，可加剧对铜基电路、银触点等关键部件的腐蚀，带来硬件故障与数据损毁风险，推高运维成本。因此，实现ppb级O₃的高灵敏检测对于人体健康风险防控与精密制造工业环境保障具有重要意义。金属氧化物半导体（MOS）传感器具有制备工艺成熟、化学稳定性好和气敏响应显著等优点应用广泛。其中，In₂O₃具有宽禁带、高电子迁移率和良好化学稳定性，是O₃传感的常用材料。然而，In₂O₃有限的表面活性位点密度和载流子浓度限制了其对ppb级O₃的检测能力。

针对上述问题，本研究提出了一种真空退火氧空位调控策略，通过降低高温退火过程中的氧分压促进晶格氧脱附，增加In₂O₃表面氧空位，为O₃吸附提供丰富活性位点；同时利用氧空位诱导的载流子浓度增加和缺陷能级调控，协同增强表面电荷转移与电子输运过程，从而在较低工作温度下实现ppb级O₃的高灵敏检测，为高性能In₂O₃基O₃传感器的缺陷工程设计提供新途径。具体内容如下：

【核心内容】

(1) 真空退火诱导氧空位增加并降低能带宽度

为解决In₂O₃表面活性位点不足及载流子浓度受限对ppb级O₃检测性能的制约，本研究采用真空退火策略调控In₂O₃氧空位及电子结构。图1a的XPS结果表明，真空退火未改变In的价态，但促进了氧空位形成，Va-In₂O₃中氧空位占比由24.1%提高至29.0%（图1b）。EPR表征结果发现g = 2.003处的氧空位特征信号明显增强（图1c），进一步验证了真空退火对氧空位的有效调控。氧空位增加进一步改变了In₂O₃的电子结构。UV-Vis DRS结果表明，真空退火后材料带隙宽度由3.36 eV降低至3.22 eV（图1d），表明氧空位诱导的缺陷态促进了亚带隙电子跃迁，并推动费米能级向导带方向移动，从而提高载流子浓度。上述氧空位增加与能带结构调控的协同作用，可同时增加O₃表面吸附活性位点和载流子数量，为增强O₃吸附及界面电荷转移提供有利条件。

图1.（a）In 3d的高分辨率XPS能谱;（b）Va-In₂O₃和In₂O₃的O 1s能谱;（c）Va-In₂O₃和In₂O₃的EPR光谱;（d）Va-In₂O₃和In₂O₃的带隙宽度

(2) 温度调制优化响应/恢复过程，实现ppb级O₃高灵敏检测

为兼顾O₃响应灵敏度与传感器恢复速度，本研究采用温度调制策略分别优化Va-In₂O₃传感器的响应与恢复过程（如图2）。温度依赖性测试表明，随着工作温度升高，O₃响应逐渐降低，而恢复速率显著提高；综合响应与恢复性能，分别选取30 ℃和130 ℃作为响应和恢复阶段的最佳工作温度。在此基础上，进一步开展10-130 ppb O₃浓度梯度测试，Va-In₂O₃在全浓度范围内均表现出显著高于In₂O₃的响应，其中对10 ppb O₃的响应提高至In₂O₃的12.6倍，并在温度调制条件下实现快速恢复。性能提升主要源于真空退火诱导的高浓度氧空位：一方面增加O₃表面吸附活性位点，另一方面通过缺陷能级调控降低带隙并提高载流子浓度，从而增强O₃吸附后的界面电荷转移和表面耗尽层调制，实现ppb级O₃的高灵敏检测。

图2.（a）Va-In₂O₃和In₂O₃在不同工作温度下对60 ppb O₃的响应；（b）恢复时间为5秒时，Va-In₂O₃在不同工作温度下对90 ppb O₃的恢复率；（c）Va-In₂O₃和In₂O₃在30°C工作温度下对不同浓度O₃的响应及预测曲线；（d）Va-In₂O₃传感器在30°C下对不同O₃浓度的响应-恢复曲线

(3) 多种评价指标测试验证对ppb级O₃的检测性能

为验证Va-In₂O₃传感器的实际检测能力，本研究从重复性、长期稳定性、湿度耐受性和抗干扰能力等方面开展系统评价（如图3）。在温度调制策略下，对100 ppb O₃连续测试7个响应/恢复循环，传感器动态响应曲线基本保持一致，响应值稳定在约691，表现出良好的重复性。进一步开展湿度适应性测试，发现随着相对湿度由3%升高至80%，传感器对110 ppb O₃的响应由998.99降至242.87，但在高湿环境下仍保持较高响应，表现出一定的湿度耐受能力。此外，在100 ppb O₃与高浓度苯、甲苯、四氯乙烯、H₂、CO、CO₂、NO₂及SO₂等干扰气体对比下，传感器对O₃仍表现出显著高于其他气体的响应，表明其具有优异的O₃选择性。上述结果表明，Va-In₂O₃传感器具备良好的重复性、湿度耐受性和抗干扰能力。

图3.（a）7个循环测试下Va-In₂O₃对90 ppb O₃的响应-恢复曲线；（b）7个循环测试下Va-In₂O₃对90 ppb O₃的响应值；（c）不同环境湿度条件下Va-In₂O₃传感器对110 ppb O₃的响应；（d）Va-In₂O₃传感器在30°C下的选择性测试

(4) 对比验证Va-In₂O₃提升低浓度O₃检测能力

为进一步验证Va-In₂O₃传感器的性能优势，本研究对比总结了文献报道的多种O₃敏感材料在ppb级浓度范围内的检测性能（如图4）。相比多数金属氧化物半导体传感器Va-In₂O₃在不同湿度条件下均表现出较高的响应。在3% RH和73% RH条件下，传感器分别实现10 ppb和30 ppb的检测下限，表明氧空位工程能够有效提升In₂O₃对低浓度O₃的检测能力，并增强其在湿度环境下的检测适应性，为ppb级O₃高灵敏传感材料的设计提供有效策略。

【成果小结】

本研究提出了一种真空退火氧空位调控策略，通过降低退火过程中的氧分压促进In₂O₃晶格氧脱附，增加表面氧空位，为O₃吸附和界面反应提供丰富活性位点。XPS和EPR表征证实，真空退火后In₂O₃氧空位占比由24.1%提高至29.0%；同时，氧空位诱导缺陷态使材料带隙宽度由3.36 eV降低至3.22 eV，提高载流子浓度，从而协同增强O₃吸附和界面电荷转移过程。通过温度调制优化响应与恢复过程，分别选取30℃和130℃作为最佳响应和恢复温度，实现了10-130 ppb范围内O₃的高灵敏检测，其中对10 ppb O₃的响应达到In₂O₃的12.6倍，且恢复速度<5 s。在100 ppb O₃连续7个循环测试中，响应值相对稳定，表现出良好的重复性。针对复杂环境适应性，在73% RH条件下对110ppb臭氧的响应为242.87，并对苯、甲苯、四氯乙烯、H₂、CO、CO₂、NO₂及SO₂等干扰气体表现出良好选择性。与已有报道相比，该氧空位工程策略显著提升了In₂O₃在低浓度及高湿环境下的O₃检测能力，为ppb级O₃高灵敏传感材料的设计提供了有效策略。

【作者介绍】

庞冬晴：深圳大学土木与交通工程学院博士生

该论文的第一作者为深圳大学土木与交通工程学院博士生庞冬晴，主要从事气体传感相关研究，已在中科院一区Top期刊ACS Sensors、Sensors and Actuators: B. Chemical、Building and Environment上发表一作SCI论文3篇。

本文通讯作者为深圳大学土木与交通工程学院莫金汉教授，共同作者包括课题组副教授谢锐杰，助理教授汪琰。

本文引用格式

Pang DQ, Xie RJ, Wang Y, Mo JH*. Oxygen-vacancy-rich In2O3 for highly sensitive and low-limit ozone detection at ppb levels, ACS Sensors, 2026, doi: 10.1021/acssensors.6c01985. (IF: 10.9)

该工作受到国家自然科学基金项目（项目号：52325801）和深圳市自然科学基金（项目号：JCYJ20240813143502004）的资助，特此致谢。
原文出处：https://doi.org/10.1021/acssensors.6c01985

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