引言

随着人类对太空探索的不断深入，宇航员的健康监测和行星大气成分分析变得尤为重要。有毒气体如硫化氢（H₂S）的存在不仅威胁着宇航员的安全，也影响着我们对其他星球环境的理解。然而，传统的气体传感器在太空极端环境下表现不佳，难以满足高效、低能耗的需求。近期，华中科技大学的研究团队开发了一种基于CuO的薄薄膜气体传感器，结合紫外发光二极管（UV-LED）照射技术，在真空条件下实现了对H₂S气体的高灵敏度检测。这项创新技术有望为未来的太空任务提供更可靠的支持。

正文

一、传统气体传感器的局限性

传统金属氧化物半导体（MOS）传感器通常需要在高温下操作（>100°C），这不仅消耗大量能量，还会影响长期可靠性，尤其在太空环境中（约10⁻¹²帕）。此外，这些传感器在低温和真空条件下性能大幅下降，无法有效检测多种有毒气体。例如，CeO₂基传感器的电阻依赖于H₂和O₂的部分压力比，而低温下的电荷载流子迁移率降低，导致响应速度减慢和灵敏度下降。

二、基于CuO的薄膜气体传感器

为了解决这些问题，研究人员开发了基于CuO的薄薄膜气体传感器，并引入了UV-LED照射技术。这种传感器通过紫外光生成电子-空穴对，消除了氧气吸附/解吸机制的必要性，使得传感器能够在缺氧环境中正常工作。特别是SnO₂-CuO和ZnO-CuO两种材料组合的异质结结构，在365纳米波长的UV-LED照射下表现出显著的性能提升。

三、实验方法与结果

1. 材料制备

研究团队采用溶胶-凝胶法（Sol-Gel method）制备了SnO₂-CuO和ZnO-CuO薄膜。具体步骤包括溶解前驱体、加热搅拌、旋涂成膜以及高温煅烧等过程。最终形成的薄膜厚度分别为约700纳米和640纳米。

2. 性能测试

在真空条件下（3×10⁻³帕），研究人员对传感器进行了性能测试。结果显示，在没有UV-LED照射的情况下，SnO₂-CuO和ZnO-CuO薄膜对25ppm H₂S的响应值分别为69和42.8；而在UV-LED照射下，响应值分别提高到了293和214，响应时间也从原来的13.7秒缩短到了7.3秒。此外，传感器对CO、H₂和NO₂等干扰气体表现出良好的选择性，仅对H₂S有明显反应。

四、机理探讨

UV-LED照射不仅增强了化学反应速率，还降低了晶界势垒高度，增加了电荷载流子密度，从而提高了传感器的灵敏度。同时，CuO与H₂S之间的反应生成了CuS，改变了界面性质，进一步提升了检测性能。研究表明，适量掺杂Cu可以优化传感器的电学特性，使其在低浓度H₂S检测中表现出色。

结论

本文介绍了基于CuO的薄薄膜气体传感器及其在真空条件下的应用前景。该传感器通过引入UV-LED照射技术和异质结结构，成功克服了传统MOS传感器在太空环境中的局限性，展示了其在极端条件下高效、低能耗地检测H₂S气体的能力。未来的研究将进一步优化材料配方和结构设计，以实现更广泛的应用，包括但不限于地球上的工业安全监测和环境污染控制。

未来展望

随着太空探索的持续推进，开发适用于各种极端环境的高性能气体传感器将成为关键。基于CuO的薄薄膜气体传感器为这一目标提供了新的思路和技术手段。我们期待更多科学家加入这一领域，共同推动科技进步，为人类探索宇宙贡献智慧和力量。

参考文献：

Chen X, Zheng W, Li X, et al. Outer space H₂S detection: CuO-based thin film gas sensors powered by UV-LED in vacuum. Chemical Engineering Journal. 2025;505:159681.

图 1. 在真空环境下使用 UV-LED 照射进行 H₂S 检测的气体传感器设置示意图

图 2. ZnO - CuO 和 SnO₂ - CuO 薄膜的表征

图 3. SnO₂ - CuO 和 ZnO - CuO 薄膜的表征