隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們環(huán)境意識(shí)的提高，對(duì)易燃易爆、有毒有害氣體進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)已經(jīng)引起相關(guān)研究部門的極大關(guān)注。對(duì)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(cè)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(jià)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(gè)領(lǐng)域，如鋰離子電池、UV檢測(cè)器、場(chǎng)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(duì)其進(jìn)行金屬陽(yáng)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(duì)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(shí)間；Mn摻雜的SnO2對(duì)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(shí)表現(xiàn)出優(yōu)越的酒精選擇性，300℃時(shí)表現(xiàn)出對(duì)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(bào)道。在對(duì)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(duì)SnO2一維納米材料進(jìn)行Sb摻雜，并研究了其對(duì)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(wàn)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(wàn)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(guò)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(duì)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(duì)氧的吸附將導(dǎo)致SnO2材料中的價(jià)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(shí)現(xiàn)氣體的感應(yīng)和檢測(cè)。對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)摻雜Sb時(shí)，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(duì)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(shí)，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(guò)對(duì)3種VOCs氣體的檢測(cè)，獲得了在不同溫度、濃度下的氣敏特性。實(shí)驗(yàn)表明，Sb摻雜SnO2納米帶對(duì)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(duì)丙酮幾乎沒(méi)有響應(yīng)。乙二醇濃度為50 x 10^(-6)及100 x 10^(-6)時(shí)，Sb摻雜SnO2納米帶的響應(yīng)時(shí)間分別達(dá)到了15 s和14 s，對(duì)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(duì)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(guò)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(guó)家自然科學(xué)基金（10764005；11164034）、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才項(xiàng)目（NCET-08-0926）等項(xiàng)目資金支持，研究成果發(fā)表于《材料導(dǎo)報(bào)》。