ZnO/SnO2納米晶復合材料的光增強型NO2氣體傳感器

哈爾濱師范大學物理與電子工程學院 姜天晨 孫鑒波

本文用共沉淀法制備了一種具有良好氣敏性能的ZnO/SnO2納米晶復合材料，并對其形貌和微觀結構進行了分析，在有無紫外光激發下，在各種可能存在的氣體中，對該復合材料制成的傳感器進行了氣敏性能測試，結果表明該材料傳感器對NO2氣體在紫外光激發下擁有較高的靈敏度和較強的選擇性，在NO2的檢測中有良好的應用前景。

目前，現代科技發展越來越快，傳感器因其優異的檢測性能出現在大眾視野當中。在發展前景十分廣闊的傳感器各個領域當中，氣體傳感器是其中發展極為突出的領域，而半導體氣體傳感器約占氣體傳感器的60%。SnO2和ZnO都是十分典型的表面型半導體氣敏元件，已廣泛的應用于各領域檢測。

1 實驗部分

1.1 材料的合成

所有化學試劑均來自于Sigma-Aldrich公司，未進行進一步加工。

首先將7.5mmol NaOH加入到25ml 0.1M的SnCl2·2H2O中，然后將15ml 5mmol的Zn(CH3COO)2·2H2O滴入上述溶液中，攪拌30min，靜置，待沉淀完全后，離心收集，將所得產物在400℃的空氣中煅燒2h。

1.2 材料的表征

通過X射線衍射(XRD)對樣品的結構進行了表征，2θ范圍從20°到80°。利用掃描電鏡(SEM)對樣品的表面形貌和結構進行了表征。利用透射電鏡(TEM)和高分辨透射電鏡(HRTEM)對樣品的表面形貌和微觀結構進行進一步表征。

1.3 氣體傳感器的制造與測量

將材料涂到含有兩個Pt電極的電極管上，在220℃下加熱30min來獲得相應的氣體傳感器。用數字萬用表測試氣體的靈敏度，與個人電腦對測試所得數據進行處理。將Rg(被測氣體中傳感器的電阻)/Ra(空氣中傳感器的電阻)或者Ra/Rg定義為傳感器的響應。

2 結果討論

2.1 結構分析

圖1所示為ZnO/SnO2納米晶復合材料的XRD圖譜。樣品的特征峰的晶面如圖所示，峰位與標準卡片中的ZnO和SnO2峰位相一致，結果證明了材料為ZnO/SnO2納米晶復合材料。

圖1 ZnO/SnO2納米晶復合材料的XRD圖譜

2.2 形貌分析

圖2 ZnO/SnO2(a)SEM圖譜；(b)TEM圖譜；(c)HRTEM圖譜；(d)EDX圖譜

圖3 ZnO/SnO2(a)最佳工作溫度曲線；(b)濃度曲線；(c)響應恢復曲線；(d)選擇性圖

圖2展示了ZnO/SnO2納米晶復合材料的各種表征。掃描電鏡展示出了一種大約為30nm的大量的納米晶結構。透射電鏡進一步展示了聚集的大量納米晶結構，其中ZnO和SnO2的晶格間距分別為0.28nm和0.34nm，與(110)和(100)晶面相對應。EDX能譜圖中表明在該樣品中存在Sn、Zn、O三種峰，間接證明了ZnO的確復合在SnO2中。

2.3 氣敏性能分析

圖3展示了基于ZnO/SnO2納米晶復合材料的傳感器的氣敏特性曲線。紫外光對不同溫度下的傳感器的靈敏度均有不同程度的提高，溫度為200℃且有紫外光激發時，1ppm的NO2氣體的靈敏度最大。在有紫外光激發時，靈敏度急劇增加，為5.54。傳感器濃度曲線中濃度范圍為50ppb-2000ppb，隨著濃度逐漸升高，傳感器并未呈現明顯的飽和趨勢，但紫外光對其影響更為明顯。響應恢復曲線中響應恢復速度較快，但紫外光激發后并未呈現明顯變化。其響應時間約為130s，恢復時間約為160s。選擇乙醇、甲醇、甲醛、甲苯、丙酮、正丁醇作為可能存在的干擾氣體，紫外光對所有氣體的靈敏度均有不同程度的提升。NO2氣體的濃度遠低于干擾氣體，但紫外光對NO2氣體的提升最顯著，且對NO2氣體的靈敏度遠高于干擾氣體。可見其選擇性較強。

2.4 氣敏機理

傳感器的傳感機理主要是由NO2氣體分子和表面吸附氧在材料表面的發生反應引起的，其反應的方程式如下：

加入紫外光后，紫外光激發提供了更多的能量，促進了NO2在材料表面的吸附和解吸。

3 結論

采用共沉淀法制備了ZnO/SnO2納米晶復合材料，基于ZnO/SnO2納米晶復合材料傳感器對NO2氣體具有良好的檢測能力，在紫外光激發下，對1ppm NO2氣體在200℃時的響應約為5.54，且選擇性較好，在NO2檢測中擁有良好的應用前景。