SnS2納米片負(fù)載SnO2納米顆粒改性氨氣氣敏響應(yīng)

胡蝶 曾大文 徐鏗

摘 要：文章通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱反應(yīng)制備出了二氧化錫顆粒修飾硫化錫基氣敏材料。通過(guò)SEM、TEM、XPS等表征結(jié)果表明二氧化錫顆粒大量復(fù)合在硫化錫表面。通過(guò)氣敏性能的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在可見(jiàn)光激發(fā)下材料對(duì)NH3表現(xiàn)出優(yōu)異的氣敏性能，對(duì)50ppm NH3的敏感性是純硫化錫器件的4倍。文章通過(guò)測(cè)試結(jié)果對(duì)光氣敏原理做了分析。

關(guān)鍵詞：二硫化錫；二氧化錫；室溫氣敏；氨氣

經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展使得人們的生活水平逐步提高，但同時(shí)帶來(lái)的危害也不斷增加。生產(chǎn)生活產(chǎn)生的有毒氣體類似于氨氣對(duì)人體有很大的危害，有可能會(huì)導(dǎo)致呼吸性疾病甚至可能窒息[1]。為此檢測(cè)空氣中是否含有氨氣對(duì)于有效的防治危險(xiǎn)發(fā)生有著重要的意義。

二硫化錫具有2.2-2.35eV光學(xué)帶隙[2]，在室溫下表現(xiàn)出了優(yōu)異的電性能和氣敏感應(yīng)性能[3]，作為新一代的先進(jìn)的室溫的材料已被廣泛應(yīng)用各行各業(yè)，并已被用于氨氣的檢測(cè)。但是由于制備方法不穩(wěn)定、器件制作復(fù)雜和氣敏性能不高而有待改善。文章通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱反應(yīng)在二硫化錫納米片上復(fù)合了二氧化錫顆粒，通過(guò)性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在可見(jiàn)光激發(fā)下對(duì)氨氣的氣敏性能比原材料提高了4倍左右。

1 材料制備

將4mmol的氯化亞錫溶解在去離子水中超聲五分鐘，加入60mmol的硫代乙酰胺并將混合物在室溫下攪拌三十分鐘。將混合物轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，在160℃條件下水熱反應(yīng)12h，冷卻至室溫后清洗多次，放置于干燥箱中烘干。用燒杯取40ml蒸餾水，加入10mg制備所得SnS2粉末超聲15分鐘后滴加1800μL HCl，同時(shí)加入1g氯化亞錫，超聲20mins后磁力攪拌兩小時(shí)并清洗烘干。傳感器的敏感度可以用匹配電阻在空氣與被測(cè)試氣氛中的測(cè)試電流來(lái)表示：R=（Ig-Ia）/Ia×100%。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM和TEM結(jié)果分析

圖1 SnS2/SnO2復(fù)合材料的（a）SEM；（b）TEM

從圖1中可以看出，復(fù)合所得產(chǎn)物主要為片狀材料，材料的直徑約在2-3μm左右，納米片的厚度約為10nm左右。納米片表面有很多小顆粒。片狀體無(wú)規(guī)則的堆疊在一起形成支撐結(jié)構(gòu)，增加了片面之間的空隙，這有助于材料內(nèi)部的氣體分散。從圖1（b）中可以看出基板材料間距為0.322nm，對(duì)應(yīng)了二硫化錫的（100）晶面，基板上附著的顆粒的晶面間距為0.358nm，對(duì)應(yīng)二氧化錫的（110）晶面。

2.2 XPS結(jié)果分析

圖2 SnO2/SnS2復(fù)合物的Sn元素XPS圖譜

從圖2中看到，在486.5eV，487.2eV，495.1eV和495.5eV四個(gè)位置有明顯的峰強(qiáng)，這與SnS2中的Sn-S鍵（結(jié)合能在486.7 eV和495.2 eV）[3]以及SnO2中所含的Sn-O鍵（結(jié)合能在487.0 eV和 495.5 eV）[4]符合。

2.3 光電氣敏性能測(cè)試（如圖3所示）

為了比較二硫化錫在復(fù)合二氧化錫前后的光電氣敏性能變化，我們用純二硫化錫納米片做了同等條件下的對(duì)比試驗(yàn)。我們采用10v電壓持續(xù)通入50ppmNH3，在相同時(shí)間下打開(kāi)白光和斷掉白光，可以看到 SnO2/SnS2復(fù)合材料的電流增量為純SnS2材料的4倍左右，計(jì)算可得其響應(yīng)也約為純硫化錫納米片的4倍。

圖4 SnO2/SnS2復(fù)合物對(duì)不同濃度氨氣的響應(yīng)曲線

圖4是復(fù)合材料在不同濃度氨氣下的響應(yīng)結(jié)果。從圖4中可以看出，隨著氨氣的濃度從50ppm逐漸增加至250ppm，材料在白光下的響應(yīng)曲線增幅逐漸增加，這主要是因?yàn)榘睔鉂舛仍龃蠛?，參與材料表面氣固反應(yīng)的氣體濃度增加，材料內(nèi)部的載流子濃度的變化幅度，而當(dāng)載流子濃度變化幅度越大，響應(yīng)度越大。

3 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟诟纳萍兞蚧a納米片的氨氣氣敏性能，在其原有的響應(yīng)基礎(chǔ)上，通過(guò)水熱原位復(fù)合方法復(fù)合禁帶寬度匹配良好的氧化錫納米顆粒，改善其對(duì)氨氣的氣敏性能。這種方法不僅操作簡(jiǎn)單，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求較低，并且制備產(chǎn)物量大，原料價(jià)格便宜。通過(guò)表征和氣敏性能測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)復(fù)合所得的材料上成功的生長(zhǎng)了大量分散均一、粒徑在5nm左右的氧化錫納米顆粒，同時(shí)通過(guò)氣敏測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)SnO2/SnS2復(fù)合材料對(duì)50ppm的氨氣的氣敏響應(yīng)度約為1.2，遠(yuǎn)高于純SnS2納米片的響應(yīng)。這主要是因?yàn)闅夤探换サ幕瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程將氣體信號(hào)轉(zhuǎn)化為了材料內(nèi)部的電信號(hào)，同時(shí)納米顆粒與基板之間增加電子空穴分離效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)存在，使得材料對(duì)測(cè)試氣體有了一個(gè)顯著的氣敏響應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：胡蝶（1990，4-），女，籍貫：湖北省洪湖市，學(xué)歷：碩士，研究方向：氣敏智能傳感器。