近日，宁夏大学电子与电气工程学院青年教师刘洋博士与东北大学孟凡利教授合作在半导体气体传感器领域取得重要研究进展。成果以“Rational design of porous ultrathin Co₃O₄ nanosheets with oxygen vacancies for efficient chemiresistive sensing of trace acetone”为题发表在传感器领域顶级期刊《Sensors and Actuators B: Chemical》上，刘洋博士为第一作者，宁夏大学为第一作者单位。

痕量丙酮的精准检测在工业生产安全、疾病早期筛查等领域具有重要意义。然而，对微弱电流检测能力有限以及反应位点传感活性弱使得半导体传感器对丙酮气体的灵敏度和检测限难以满足日益增长的应用需求。该研究通过调控ZIF-67的生成速率，并在其表面发生离子交换与刻蚀过程，诱导ZIF-67向α-Co(OH)₂转变，进而拓扑生成Co₃O₄多孔超薄分级纳米片结构。超薄纳米片使得载流子可以延二维平面高效传输，其厚度约为5 nm，空穴积累层可以完全重叠，这使其电学性质完全由表面决定。富氧空位可以增强对丙酮气体的化学吸附能力，而表面富Co²⁺构型显著增强了Co₃O₄表面催化活性。此外，多孔结构以及大的比表面积（107.2 m²g⁻¹）为气体的扩散和吸附提供了有效路径。

超薄多孔Co₃O₄纳米片的SEM图

Co₃O₄传感器的传感机理及能带变化示意图

多孔超薄Co₃O₄纳米片传感器对丙酮表现出了优异的传感性能，具有出色的灵敏度（80.3-100 ppm）、选择性、重复性、长期稳定性，以及30 ppb的超低应用检测限。该研究提出了一种构建Co₃O₄多孔超薄分级纳米片的新策略，并通过缺陷工程和表面工程来调控气-固界面相互作用，为高性能丙酮气体传感器的设计与开发提供了新的研究思路和理论指导。

Co₃O₄传感器的气敏性能图（最佳工作温度及对不同浓度丙酮响应）

Co₃O₄传感器的气敏性能图（选择性、重复性、长期稳定性及湿度影响）