Sb掺杂二氧化锡单片纳米带及其气敏特性研究
2017-08-10 19:34:16 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
随着现代科学技术的发展和人们环境意识的提高，对易燃易爆、有毒有害气体进行快速准确的检测和监测已经引起相关研究部门的极大关注。对空气以及特定环境下的某些气体进行快速有效的检测就显得尤为必要。
随着现代科学技术的发展和人们环境意识的提高，对易燃易爆、有毒有害气体进行快速准确的检测和监测已经引起相关研究部门的极大关注。对空气以及特定环境下的某些气体进行快速有效的检测就显得尤为必要。
二氧化锡（SnO2）是一种宽带隙n型半导体材料，其禁带宽度为3.6 eV（300 K），具有潜在应用价值。由于其优异的物理化学性质，被广泛应用于多个领域，如锂离子电池、UV检测器、场致发射体、超疏水表面和气体传感器等。然而，纯SnO2纳米材料所制成的气敏器件的灵敏度和选择性等性能难以满足应用需要，对其进行金属阳离子或贵金属的掺杂是改进和提高SnO2气敏响应和气敏选择性的有效方法。例如：掺入NiO的SnO2对酒精蒸气具有较高的响应，并在低浓度的酒精气体中有较短的响应和恢复时间；Mn掺杂的SnO2对有机挥发性物质（VOCs）气体具有最佳的敏感性能，低温时表现出优越的酒精选择性，300℃时表现出对不同体积分数酒精的良好响应-恢复特性；另外，在纳米SnO2中掺人贵金属Pt、Pd、Au的研究也屡有报道。在对SnO2纳米材料进行稀土掺杂方面，人们也做了不少工作，但Sb掺杂SnO2一维纳米材料的气敏性能研究较少。云南师范大学的艾鹏等研究人员对SnO2一维纳米材料进行Sb掺杂，并研究了其对乙二醇、乙醇和丙酮等有机挥发性液体的气敏特性。
Sb掺杂SnO2纳米带的SEM图
本研究SnO2纳米带器件的制备采用了北京埃德万斯离子束研究所股份有限公司生产的LDJ- 2A-F100-100系列双离子束溅射沉积系统。北京埃德万斯自主研发的Advanced LDJ系列双离子束溅射沉积薄膜系统，可用于溅射沉积各种金属、合金、化合物及半导体材料的单层薄膜、多层薄膜，也可将单质材料通过反应合成氧化物、氮化物、碳化物薄膜。
纯净及Sb掺杂SnO2纳米带对乙二醇、乙醇和丙酮的气敏响应特性
SnO2及其掺杂纳米带的气敏机理
SnO2作为n型半导体氧化物，其气敏响应取决于晶粒尺寸、晶格缺陷、表面氧吸附数量、掺杂及催化等。SnO2表面对氧的吸附将导致SnO2材料中的价电子转移到氧原子或氧分子中，从而使吸附的氧变成化学吸附的氧离子O-或O2-。
因氧的吸附而产生的化学反应导致器件中电流的增加，实现气体的感应和检测。对于SnO2纳米带，其最终电流将由源电流和气敏响应的电流共同组成。实验结果表明，当掺杂Sb时，在相同气体浓度下，SnO2纳米带源电流和在气敏响应中增加的电流均比纯净SnO2纳米带的对应电流大。因此，贵金属掺杂增强了SnO2纳米带的电导性，并且较大程度地提高了气敏响应。稀贵金属掺杂有助于氧的吸附，当掺杂Sb时，能够产生更多的氧离子，从而显著提高器件的气敏响应。
结论
通过对3种VOCs气体的检测，获得了在不同温度、浓度下的气敏特性。实验表明，Sb掺杂SnO2纳米带对100 x 10-6的乙二醇及乙醇的响应达到10倍和2.6倍，对丙酮几乎没有响应。乙二醇浓度为50 x 10^(-6)及100 x 10^(-6)时，Sb掺杂SnO2纳米带的响应时间分别达到了15 s和14 s，对乙二醇具有良好的气敏响应特性和选择性。掺杂稀贵金属后，由于不同稀贵金属对不同气体具有选择性催化作用，其催化特性将增强氧吸附过程及与有机气体的反应，从而使气敏材料的反应活性增强，提升其气敏响应和选择性。
本研究获得了国家自然科学基金（10764005；11164034）、教育部新世纪优秀人才项目（NCET-08-0926）等项目资金支持，研究成果发表于《材料导报》。
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