ZnO/SnO2納米晶復(fù)合材料的光增強(qiáng)型NO2氣體傳感器

哈爾濱師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)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(fù)合材料，并對(duì)其形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，在有無(wú)紫外光激發(fā)下，在各種可能存在的氣體中，對(duì)該復(fù)合材料制成的傳感器進(jìn)行了氣敏性能測(cè)試，結(jié)果表明該材料傳感器對(duì)NO2氣體在紫外光激發(fā)下?lián)碛休^高的靈敏度和較強(qiáng)的選擇性，在NO2的檢測(cè)中有良好的應(yīng)用前景。

目前，現(xiàn)代科技發(fā)展越來(lái)越快，傳感器因其優(yōu)異的檢測(cè)性能出現(xiàn)在大眾視野當(dāng)中。在發(fā)展前景十分廣闊的傳感器各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，氣體傳感器是其中發(fā)展極為突出的領(lǐng)域，而半導(dǎo)體氣體傳感器約占?xì)怏w傳感器的60%。SnO2和ZnO都是十分典型的表面型半導(dǎo)體氣敏元件，已廣泛的應(yīng)用于各領(lǐng)域檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料的合成

所有化學(xué)試劑均來(lái)自于Sigma-Aldrich公司，未進(jìn)行進(jìn)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(chǎn)物在400℃的空氣中煅燒2h。

1.2 材料的表征

通過(guò)X射線衍射(XRD)對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，2θ范圍從20°到80°。利用掃描電鏡(SEM)對(duì)樣品的表面形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。利用透射電鏡(TEM)和高分辨透射電鏡(HRTEM)對(duì)樣品的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步表征。

1.3 氣體傳感器的制造與測(cè)量

將材料涂到含有兩個(gè)Pt電極的電極管上，在220℃下加熱30min來(lái)獲得相應(yīng)的氣體傳感器。用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試氣體的靈敏度，與個(gè)人電腦對(duì)測(cè)試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。將Rg(被測(cè)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(yīng)。

2 結(jié)果討論

2.1 結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為ZnO/SnO2納米晶復(fù)合材料的XRD圖譜。樣品的特征峰的晶面如圖所示，峰位與標(biāo)準(zhǔn)卡片中的ZnO和SnO2峰位相一致，結(jié)果證明了材料為ZnO/SnO2納米晶復(fù)合材料。

圖1 ZnO/SnO2納米晶復(fù)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(yīng)恢復(fù)曲線；(d)選擇性圖

圖2展示了ZnO/SnO2納米晶復(fù)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(jié)構(gòu)。透射電鏡進(jìn)一步展示了聚集的大量納米晶結(jié)構(gòu)，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(duì)應(yīng)。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(fù)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(fù)合材料的傳感器的氣敏特性曲線。紫外光對(duì)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(fā)時(shí)，1ppm的NO2氣體的靈敏度最大。在有紫外光激發(fā)時(shí)，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(xiàn)明顯的飽和趨勢(shì)，但紫外光對(duì)其影響更為明顯。響應(yīng)恢復(fù)曲線中響應(yīng)恢復(fù)速度較快，但紫外光激發(fā)后并未呈現(xiàn)明顯變化。其響應(yīng)時(shí)間約為130s，恢復(fù)時(shí)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(duì)所有氣體的靈敏度均有不同程度的提升。NO2氣體的濃度遠(yuǎn)低于干擾氣體，但紫外光對(duì)NO2氣體的提升最顯著，且對(duì)NO2氣體的靈敏度遠(yuǎn)高于干擾氣體。可見(jiàn)其選擇性較強(qiáng)。

2.4 氣敏機(jī)理

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

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

3 結(jié)論

采用共沉淀法制備了ZnO/SnO2納米晶復(fù)合材料，基于ZnO/SnO2納米晶復(fù)合材料傳感器對(duì)NO2氣體具有良好的檢測(cè)能力，在紫外光激發(fā)下，對(duì)1ppm NO2氣體在200℃時(shí)的響應(yīng)約為5.54，且選擇性較好，在NO2檢測(cè)中擁有良好的應(yīng)用前景。