【国际论文】SAB 顶刊发布丨低掺高选择性、高掺超灵敏度！Zn 诱导物相演化，实现 β-Ga₂O₃甲醛传感性能精准定制

        由印度卡拉格普尔理工学院的研究团队在学术期刊 Sensors & Actuators: B. Chemical 发布了一篇名为 Zn-induced phase engineering in β-Ga₂O₃ for heterointerface-controlled formaldehyde sensing（β-Ga₂O₃ 中由锌诱导的相工程及其在异质界面控制的甲醛检测中的应用）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。

        甲醛作为典型挥发性有机污染物，长期暴露会严重危害人体健康，开发低成本、高选择性、快速响应的甲醛传感器对环境监测与医疗无创检测至关重要。β-Ga₂O₃ 具备优异热稳定性、化学稳定性与可调控表面特性，是气体传感理想宽禁带材料。现有研究证实 Zn 掺杂可调控氧化镓电子结构与氧空位浓度，改善气敏吸附脱附行为，但 Zn 含量诱导物相演化、异质界面形成与气敏性能之间的关联机制尚不清晰。传统单一 Zn 掺杂仅能实现单一传感性能优化，无法兼顾选择性、检测下限与响应恢复速度。本文在 0-100 wt% 宽 Zn 掺杂区间系统研究物相演变规律，划分 Zn 取代 β-Ga₂O₃、β-Ga₂O₃/ZnGa₂O₄ 异质结、ZnGa₂O₄/ZnO 复合三类物相区间，揭示不同异质界面的能带排布、电荷输运调控机制，建立物相-界面-气敏性能对应关系，为高性能氧化镓基甲醛传感器提供相调控设计新思路。

        锌掺杂改性 β-Ga₂O₃ 以调控电子特性已得到广泛研究，但 Zn 掺杂诱导物相演化、以及与气体传感相关界面效应的作用机制仍缺乏完整阐释。本文在 0-100 wt% 宽 Zn 掺杂区间系统研究 β-Ga₂O₃ 纳米结构的 Zn 诱导相调控行为，并阐明其对甲醛气敏性能的影响规律。借助离线、原位高温X射线衍射开展结构表征，可区分三类物相区间：Zn 取代型 β-Ga₂O₃（≤0.5 wt%）、β-Ga₂O₃/ZnGa₂O₄ 异质结（1-25 wt%）、ZnGa₂O₄/ZnO 复合相（≥50 wt%）。结合里特沃尔德精修、电子显微表征、X 射线与紫外光电子能谱、光吸收测试证实，物相逐步演化会带来晶格行为、微观形貌与电子结构的显著变化。气敏测试结果表明甲醛探测性能具有明显物相依赖性：Zn 取代型 β-Ga₂O₃ 具备优异甲醛选择性，ZnGa₂O₄/ZnO 复合相可实现超低检测下限与快速响应恢复。器件传感机制由不同物相的能带排布、n-n 异质结界面电荷输运共同决定，二者可调控氧吸附行为与耗尽层动态变化。该研究证实相调控是定制 β-Ga₂O₃ 基异质结构的核心手段，为理性设计高性能甲醛传感器建立清晰的物相-界面-性能关联规律。

        ① 在 0-100 wt% 全 Zn 掺杂区间完成原位高温 XRD 物相追踪，明确三类热力学稳定物相区间：低掺 Zn 取代 β-Ga₂O₃、中掺双相异质结、高掺 ZnGa₂O₄/ZnO 复合体系；

        ② 揭示不同物相界面能带排布差异，阐明 n-n 异质结耗尽层调控、界面电荷转移主导的双传感机制，低掺样品依靠表面吸附实现高选择性，高掺复合相依靠界面输运实现超灵敏探测；

        ③ 0.5 wt% Zn 单取代器件对甲醛选择性为异丙醇的 3.25 倍，可精准区分多种挥发性有机干扰气体；

        ④ 100 wt% Zn 复合器件实现 0.14 ppb 超低甲醛检测下限，响应/恢复时间仅 18 s/43 s，具备长期稳定工作能力；

        ⑤ 建立可量化的相调控设计准则，通过调控 Zn 掺杂量平衡选择性、灵敏度与响应速度，为氧化镓基气敏器件规模化制备提供通用方案。

        本研究证实，向 Ga₂O₃ 中引入 Zn 是一种有效的相调控手段，可精准调控材料物相演化、电子结构与甲醛气敏性能。系统调控 0-100 wt% 范围内 Zn 掺杂浓度，可划分三类特征物相体系：Zn 取代型 β-Ga₂O₃、β-Ga₂O₃/ZnGa₂O₄ 异质结、ZnGa₂O₄/ZnO 复合相。结构与光谱表征证实，随着 Zn 含量提升，材料会发生热力学驱动物相转变、异质界面生成、能带结构调制与缺陷浓度变化。甲醛传感性能具备显著物相依赖性：Zn 取代型 β-Ga₂O₃ 拥有优异甲醛选择性，而 ZnGa₂O₄/ZnO 复合相依靠异质结辅助电荷输运与耗尽层调控，实现超快响应恢复与 ppb 级超低探测下限。紫外光电子能谱、X 射线光电子能谱、比表面积与场发射扫描电镜表征进一步证实，增强的氧吸附能力、高效界面电荷输运与多级多孔形貌协同提升器件传感动力学与灵敏度。综上，相比单一元素掺杂，相调控是调控 β-Ga₂O₃ 基气敏材料的高效策略。本文提出经实验验证的相调控理论框架，为可规模化制备、兼具高选择性与超高灵敏度的混合金属氧化物挥发性有机物传感平台提供实用设计依据。

图 1 (a) 合成态、500 ℃ 退火、1000 ℃ 退火样品的 X 射线衍射图谱，展示 Zn 诱导 Ga₂O₃ 物相演化；(d-f) 分别为纯 β-Ga₂O₃、Zn25 共混 β-Ga₂O₃/ZnGa₂O₄、Zn50 ZnGa₂O₃/ZnO 晶体 VESTA 结构模型；(g) 里特沃尔德精修定量得到 β-Ga₂O₃、ZnGa₂O₄、ZnO 物相占比随 Zn 含量变化曲线，划分三类区间：Zn 掺杂 β-Ga₂O₃ (≤0.5 wt%)、β-Ga₂O₄/ZnGa₂O₄ 异质结构 (1-25 wt%)、ZnGa₂O₄/ZnO 复合相 (≥50 wt%)

图 2 热相变原位 X 射线衍射分析：升降温循环过程非环境原位 X 射线图谱。(a) 0.5 wt% Zn 掺杂初始样品 30-1000 ℃ 升温阶段物相演化，依次经历 GaOOH→α-Ga₂O₃→β-Ga₂O₃；(b) 1000 ℃ 降至 30 ℃ 对应降温图谱，证明 β-Ga₂O₃ 不可逆稳定化；(c) Zn100 样品降温区间 X 射线图谱，呈现 ZnGa₂O₄ 与 ZnO 共存特征；(d) 高角度衍射峰放大图，展示各向异性晶格收缩带来系统性峰偏移，体现物相关热膨胀差异

图 3 1000 ℃ 退火 Zn 掺杂 Ga₂O₃ 纳米结构场发射扫描电镜形貌演化：(a) 未掺杂、(b) 0.5 wt%、(c) 1 wt%、(d) 2 wt%、(e) 3 wt%、(f) 5 wt%、(g) 10 wt%、(h) 25 wt%、(i) 50 wt%、(j) 100 wt% Zn 样品；(k) 叉指金电极气敏器件光学照片，插图展示电极间距；(l) 传感层均匀覆盖相邻叉指电极的扫描电镜图

图 4 不同掺杂量 Zn 诱导异质界面透射电镜表征：(a-c) 0.5 wt% Zn 单一样品明场透射、高分辨透射、选区电子衍射图，单相 β-Ga₂O₃；(d-f) 3 wt% Zn 样品，存在 β-Ga₂O₃/ZnGa₂O₄ 异质结构；(g-i) 100 wt% Zn 样品，仅含 ZnGa₂O₄/ZnO 复合相，无 β-Ga₂O₃

图 5 0-100 wt% Zn 掺杂 β-Ga₂O₃纳米结构 X 射线光电子能谱分析：(a) 全谱，证实 Ga、Zn、O 元素存在；(b) 高分辨 Ga 2p 谱，随 Zn 含量变化镓配位环境改变；(c) 分峰 O 1s 谱，区分晶格氧、氧空位、吸附氧三类组分占比随物相变化；(d) Zn 2p 芯能级谱，验证 Zn²⁺ 掺杂及由取代掺杂向富锌物相转变

DOI：

doi.org/10.1016/j.snb.2026.140586