Sb摻雜SnO2納米帶對于不同氣體免肝程度檢測

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們環(huán)境意識的提高，對易燃易爆、有毒有害氣體進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測和監(jiān)測已經(jīng)引起相關(guān)研究部門的極大關(guān)注。對空氣以及特定環(huán)境下的某些氣體進(jìn)行快速有效的檢測就顯得尤為必要。

二氧化錫（SnO2）是一種寬帶隙n型半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為3.6 eV（300 K），具有潛在應(yīng)用價值。由于其優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如鋰離子電池、UV檢測器、場致發(fā)射體、超疏水表面和氣體傳感器等。然而，純SnO2納米材料所制成的氣敏器件的靈敏度和選擇性等性能難以滿足應(yīng)用需要，對其進(jìn)行金屬陽離子或貴金屬的摻雜是改進(jìn)和提高SnO2氣敏響應(yīng)和氣敏選擇性的有效方法。例如：摻入NiO的SnO2對酒精蒸氣具有較高的響應(yīng)，并在低濃度的酒精氣體中有較短的響應(yīng)和恢復(fù)時間；Mn摻雜的SnO2對有機(jī)揮發(fā)性物質(zhì)（VOCs）氣體具有最佳的敏感性能，低溫時表現(xiàn)出優(yōu)越的酒精選擇性，300℃時表現(xiàn)出對不同體積分?jǐn)?shù)酒精的良好響應(yīng)-恢復(fù)特性；另外，在納米SnO2中摻人貴金屬Pt、Pd、Au的研究也屢有報道。在對SnO2納米材料進(jìn)行稀土摻雜方面，人們也做了不少工作，但Sb摻雜SnO2一維納米材料的氣敏性能研究較少。云南師范大學(xué)的艾鵬等研究人員對SnO2一維納米材料進(jìn)行Sb摻雜，并研究了其對乙二醇、乙醇和丙酮等有機(jī)揮發(fā)性液體的氣敏特性。

Sb摻雜SnO2納米帶的SEM圖

本研究SnO2納米帶器件的制備采用了北京埃德萬斯離子束研究所股份有限公司生產(chǎn)的LDJ- 2A-F100-100系列雙離子束濺射沉積系統(tǒng)。北京埃德萬斯自主研發(fā)的Advanced LDJ系列雙離子束濺射沉積薄膜系統(tǒng)，可用于濺射沉積各種金屬、合金、化合物及半導(dǎo)體材料的單層薄膜、多層薄膜，也可將單質(zhì)材料通過反應(yīng)合成氧化物、氮化物、碳化物薄膜。

純凈及Sb摻雜SnO2納米帶對乙二醇、乙醇和丙酮的氣敏響應(yīng)特性

SnO2及其摻雜納米帶的氣敏機(jī)理

SnO2作為n型半導(dǎo)體氧化物，其氣敏響應(yīng)取決于晶粒尺寸、晶格缺陷、表面氧吸附數(shù)量、摻雜及催化等。SnO2表面對氧的吸附將導(dǎo)致SnO2材料中的價電子轉(zhuǎn)移到氧原子或氧分子中，從而使吸附的氧變成化學(xué)吸附的氧離子O-或O2-。

因氧的吸附而產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致器件中電流的增加，實現(xiàn)氣體的感應(yīng)和檢測。對于SnO2納米帶，其最終電流將由源電流和氣敏響應(yīng)的電流共同組成。實驗結(jié)果表明，當(dāng)摻雜Sb時，在相同氣體濃度下，SnO2納米帶源電流和在氣敏響應(yīng)中增加的電流均比純凈SnO2納米帶的對應(yīng)電流大。因此，貴金屬摻雜增強(qiáng)了SnO2納米帶的電導(dǎo)性，并且較大程度地提高了氣敏響應(yīng)。稀貴金屬摻雜有助于氧的吸附，當(dāng)摻雜Sb時，能夠產(chǎn)生更多的氧離子，從而顯著提高器件的氣敏響應(yīng)。

結(jié)論

通過對3種VOCs氣體的檢測，獲得了在不同溫度、濃度下的氣敏特性。實驗表明，Sb摻雜SnO2納米帶對100 x 10-6的乙二醇及乙醇的響應(yīng)達(dá)到10倍和2.6倍，對丙酮幾乎沒有響應(yīng)。乙二醇濃度為50 x 10^(-6)及100 x 10^(-6)時，Sb摻雜SnO2納米帶的響應(yīng)時間分別達(dá)到了15 s和14 s，對乙二醇具有良好的氣敏響應(yīng)特性和選擇性。摻雜稀貴金屬后，由于不同稀貴金屬對不同氣體具有選擇性催化作用，其催化特性將增強(qiáng)氧吸附過程及與有機(jī)氣體的反應(yīng)，從而使氣敏材料的反應(yīng)活性增強(qiáng)，提升其氣敏響應(yīng)和選擇性。

本研究獲得了國家自然科學(xué)基金（10764005；11164034）、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才項目（NCET-08-0926）等項目資金支持，研究成果發(fā)表于《材料導(dǎo)報》。