SnO₂基氣敏材料的研究進展

李艷瓊　溫慧慧

【摘? 要】SnO₂作為新型功能材料具有許多獨特的性質，尤其是作為氣敏材料，對許多氣體，如乙醇、硫化氫、一氧化碳等都具有很好的靈敏性，是一種普敏性氣敏材料。目前SnO₂的氣敏性能可通過氧空位和摻雜來改變，摻雜不僅可以提高元件的電導率，還可以提高穩定性和選擇性，例如添加金屬單質、金屬氧化物和稀土氧化物等，本文簡單綜述了近年來SnO₂基氣敏材料的研究進展。

【關鍵詞】SnO₂;氣敏材料;傳感器

前言：

有毒有害氣體和易燃易爆氣體不僅污染環境，而且會誘發爆炸、火災及氣體中毒等嚴重事件^[1]。氣敏傳感器正是在這樣的背景下得到了迅速的發展。氣敏傳感器主要是在空氣或某一特定環境內，將檢測對象氣體的種類及濃度等轉化為電信號的一種器件，檢測方式主要有測試電位、電流、電阻、熱量、溫度等的化學反應。近年來研究最為廣泛的是半導體氣體傳感器。半導體氣體傳感器主要包括半導體金屬氧化物傳感器和有機半導體氣體傳感器，其中半導體金屬氧化物氣體傳感器具有較高的靈敏度、響應速度、制作方便等優點占據了氣體傳感器的主要市場^[2]。目前開發用作氣敏材料的半導體金屬氧化物主要有SnO₂、In₂O₃、ZnO和WO₃等^[3]，其中SnO₂是最先實用生產且研究最為廣泛的氣敏材料。文簡單綜述了近年來SnO₂基氣敏材料的研究進展。

1.金屬元素摻雜SnO₂的氣敏傳感器

貴金屬的電子效應對于靈敏度的提高非常顯著，最為常見的摻雜貴金屬包括Pt，Pd等，貴金屬可以起到催化活性中心的作用，能降低被測氣體化學吸附的活化能，有效提高元件的靈敏度和縮短響應時間。不同的摻雜物會導致SnO₂產生不同的吸附性能，從而提高了對不同氣體的選擇性^[4]。

A. Kolmakpv等人通過濺射法制備了SnO₂納米帶，并在表面修飾了一層金屬Pd顆粒。由于Pd顆粒具有很好的催化性能，而且與SnO₂之間形成肖特基接觸，造成SnO₂納米帶內部電子通道變窄，對氣體濃度變化更為敏感，從而提高了對H₂的氣敏性能。Yasuhiro等人比較了摻雜金屬Rh的乙醛氣敏SnO₂膜傳感器及表面化學性能，并發現在350℃時摻雜量為0.1%的Rh條件下傳感器電阻的增加是由Rh與SnO₂之間電子的相互作用引起。A.Salehi等人采用化學氣相沉積法制備了不同濃度In摻雜的SnO₂薄膜，并發現摻雜濃度為20%時對H₂，CO等氣體具有最高靈敏度，并提高了其對可燃氣體的選擇性。P.H.Wei和S.Y.Zhao等利用金屬有機化學氣相沉積法制備了摻雜Th的環六亞甲基四胺的SnO₂傳感器，認為當SnO₂膜摻雜Th且工作溫度在200～360℃時，它的監測極限可達到10～30ppm，響應時間和恢復時間都很短。Yun-Hyuk Choi等^[66]在不同取向的氧化鋁基片上制備了不同晶面取向的SnO₂薄膜，并摻雜了Pd金屬。發現（101）面取向的SnO₂對H₂氣敏性能最優，而且Pd的摻入可降低工作溫度^[5-7]。

2.金屬氧化物摻雜SnO₂的氣敏傳感器

目前，各種酸性和堿性氧化物摻雜SnO₂氣體傳感器的研究成果和制備方法已呈現多樣性，例如具有二元復合氧化物ZnO/SnO₂，CuO/SnO₂等對可燃氣體CO、H₂S都有良好的氣敏性能^[8-10]。X.H. Zhou等人制備了CuO/SnO₂復合粉體材料，發現該材料對H₂S氣體具有較好的靈敏度，并具有很好的選擇性，可不受乙醇、乙炔等氣體的干擾。朱大奇等利用等離子體化學氣相沉積法制備了SnO₂/Sb₂O₃薄膜，發現膜電阻隨沉積溫度升高和極間距的減小而降低，當摻雜Sb濃度為2.5%時，薄膜電阻有一個極小值，約為200歐。薄膜為負溫度特性的N型半導體，對NO₂氣體有較好的氣敏性，溫度升高靈敏度增大，最佳工作溫度在170℃左右^[11]。

結論：

本文綜述了近年來SnO₂基氣敏材料的研究進展，目前提升氣敏性能的主要手段集中在金屬離子摻雜或者金屬氧化物復合等手段，也取得了很大的發展。未來的發展方向包括微觀形貌的控制，多元氧化物的復合，稀土元素的摻雜等手段，因此SnO₂基氣敏材料有很大的發展空間。

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基金項目：

重慶市教委科技研究項目（KJQN201801320）

作者簡介：

李艷瓊，女，湖北宜昌人，博士，副教授。主要從事傳感器功能材料等研究。

（作者單位：電子信息與電氣工程學院? 重慶文理學院）