【第二屆鈣鈦礦校園創新應用競賽】中興大學以可見光活化室溫 NO₂ 氣體感測
鈣鈦礦的應用不只在發電，也能參與環境感測。本次鈣鈦礦聯盟展區的第四篇校園作品介紹，聚焦第二屆鈣鈦礦校園創新應用競賽銀獎團隊「鈣鈦礦隊」。國立中興大學精密工程研究所團隊以「金屬有機框架之 ZnO 結合鈣鈦礦量子點之室溫 NO₂ 氣體感測」為題，透過材料複合與可見光活化，探索不需額外加熱的二氧化氮（NO₂）感測方式。
作品將多孔氧化鋅與鈣鈦礦量子點結合，讓感測元件從「依靠高溫促進反應」走向「利用光照提升室溫反應能力」，並以實驗比較光源波長、材料添加量與感測表現，建立後續模組整合的研究基礎。
一、室溫感測的問題，在於材料如何有效回應氣體
團隊的研究出發點，是金屬氧化物半導體感測材料在室溫下可能面臨反應活性不足、響應較慢與低濃度訊號不易辨識等問題。以加熱促進反應雖是一種方法，卻也增加設備用電與溫控需求。因此，作品選擇從材料表面與光照機制著手，尋找室溫操作的替代路徑。
研究以金屬有機框架（MOF，Metal-Organic Framework）ZIF-8 作為前驅物，也就是先製備具骨架結構的材料，再轉換為氧化鋅（ZnO）。所得氧化鋅保留多面體外形，並形成由奈米晶粒組成的多孔結構，提供氣體吸附與擴散的空間。
接著，團隊導入甲脒溴化鉛鈣鈦礦量子點（FAPbBr₃ PQDs，Perovskite Quantum Dots），這類奈米尺度材料可吸收光並產生電子與電洞。兩種材料形成異質結構，也就是不同材料相接的界面，藉此促進光生電荷的分離與傳輸，提升室溫感測的反應能力。
二、用可見光活化，將氣體接觸轉成電阻訊號
感測元件將複合材料滴塗在指叉電極表面，形成可與氣體接觸的感測層。指叉電極是以交錯排列的電極讀取材料電性變化，讓氣體反應轉成可量測訊號。
在光照下，鈣鈦礦量子點產生的電荷經由材料界面參與表面反應。當 NO₂ 接觸感測層，吸附與電荷交換使元件電阻上升；停止導入氣體後，材料逐漸脫附，電阻向原本狀態恢復。團隊便以這種變化觀察元件的響應與恢復過程。
作品的室溫操作，是指感測時不需額外加熱，仍須使用光源與訊號讀取設備。這也不同於材料製備過程：氧化鋅前驅物的轉換仍包含煅燒步驟，不能將室溫感測理解為全程無加熱製程。
三、光源與添加量的最佳化，已有具體測試結果
團隊比較不同光源與量子點添加量後，在本研究的測試範圍內，選定 460 nm 可見光與 1 wt% 量子點添加量作為最佳條件。wt% 表示重量百分比，這裡用於描述複合材料的添加比例。實驗成果包括：
響應與速度。在室溫、460 nm 光照與 5 ppm NO₂ 條件下，感測響應達 44.2，響應時間為 16 秒，恢復時間為 78 秒。響應值是氣體環境與空氣環境下的電阻比值，不是偵測準確率。
濃度變化與重複性。海報列示在 1 至 20 ppm NO₂ 範圍內，響應隨濃度增加而提升；在 5 ppm 條件下，六次連續循環測試未見明顯響應衰減，提供初步重複操作的依據。
低濃度與氣體辨識。提案列示最低可偵測 300 ppb NO₂；海報則呈現對所測試氣體的選擇性比較。ppm 與 ppb 分別表示百萬分之一與十億分之一的濃度單位，這些結果仍需連同測試條件判讀，不能直接等同實際環境中的量測準確度。
研究也顯示，量子點並非添加越多越好。過量添加可能遮蔽氧化鋅的活性位置並影響電荷傳輸，因此材料比例與光源選擇，需要一起納入最佳化。
四、從實驗元件走向監測模組，仍需補足場域驗證
作品規劃將感測元件與微控制器、讀取電路、低功耗光源及無線通訊整合，探索智慧城市、工業安全、建築通風與車載空氣品質監測等應用。物聯網（IoT，Internet of Things）整合的方向，是讓感測資料能傳送、判讀並參與異常告警。
後續仍需確認長時間操作、溫濕度變化、背景氣體干擾與元件一致性，並建立訊號校正、濃度換算與環境補償。包含光源、讀取與通訊的整體功耗，也需要實測才能評估節能效益。六次循環的穩定表現提供了研究起點，尚不足以代表長期壽命或商品化可靠性。
這件銀獎作品展現了鈣鈦礦從能源材料延伸至感測材料的應用方向。透過多孔氧化鋅、量子點與光活化的整合，團隊以具體實驗回答室溫氣體感測的問題，也讓聯盟展區呈現從材料設計、性能量測到系統整合的校園研究路徑。
歡迎前往鈣鈦礦聯盟展區，認識「鈣鈦礦隊」的室溫 NO₂ 氣體感測作品，了解鈣鈦礦量子點如何參與光活化感測，以及未來環境監測模組的整合方向。
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