基于中空结构氧化物半导体气体传感器的研究

决定氧化物半导体气体传感器敏感特性的关键因素是:对气体的识别功能、将化学信息变换为电信号的功能以及材料的使用效率。本项目旨在利用中空球形氧化物半导体的中空、多孔、比表面大和扩散性好等特点，通过在其外侧表面和内侧表面组装敏感活性物质、控制小球（构成球壳的小颗粒）的晶粒尺寸和小球间的晶界以及控制中空球的尺寸和球间隙来提高识别能力、变换能力和使用效率，构筑高性能气体传感器。主要采用模板法制备中空球形SnO2、In2O3和ZnO等氧化物半导体，探索微结构与敏感特性的关系；在中空球内外表面担载Pd、Pt等贵金属或氧化物等敏感活性物质，提高表面氧化活性，进而大幅度提高灵敏度。此外为了开发实用化的敏感材料，通过引入磷酸根或其它粘合剂(SiO2、Al2O3等)提高中空球形材料的机械强度和热稳定性。最终利用实用化中空球形敏感材料开发高灵敏、高选择一氧化碳传感器，并应用于煤矿瓦斯爆炸后产生的一氧化碳的检测。

在该项目的支持下，负责人主要以水热/溶剂热合成、模板法为主要的合成手段，针对大气环境中的NO2与O3，及有机挥发性气体的检测，合成了一系列具有特殊形貌的纳米分等级结构n型半导体氧化物，主要包括WO3、In2O3、SnO2、α-Fe2O3等，并进行了气敏特性的表征。. 针对大气环境中气体的检测，我们主要采用盐酸酸化及模板法，合成了具有方片结构与片状分等级结构的WO3材料。实验结果表明，方片结构的WO3材料对于NO2气体具有较高的灵敏度，对于40 ppb的NO2的灵敏度达到24，基本满足大气低浓度检测的需要。而对于片状分等级结构的WO3材料，其工作温度有所降低，并且在工作温度为75度时，对于40 ppb NO2气体的灵敏度达到16。另外，利用水热/溶剂热的方法，合成了六角形、花状的分等级结构、片花分等级结构、刺球状结构的In2O3粉体材料。这些材料具有电阻值低、对于NO2气体的选择型好、灵敏度高这些特点。并且，具有刺球状结构的In2O3粉体材料对于200 ppb的O3的灵敏度高达133。. 我们主要针对乙醇、丙酮等有机气体的检测，以水热/溶剂热为主要的合成手段，开发了具有片状多孔分等级结构、Pd掺杂的纳米棒花结构、单分散片结构、片花结构、Zn掺杂片花结构SnO2粉体材料。片状多孔分等级结构的SnO2材料对于100 ppm 的乙醇气体的灵敏度高达56；Pd掺杂后材料的形貌变化不大，而对于乙醇的灵敏度有明显的提高；片花结构的SnO2材料对于NO2气体有较高的灵敏度与选择性；而Zn掺杂片花结构SnO2材料，不但表面形貌与Zn的掺杂量密切相关，而且适量的掺杂对于器件的灵敏度也有明显的提高。另外，我们还开发了一系列具有棒蔟结构、中空椭球结构、刺球结构的α-Fe2O3粉体材料。棒蔟结构的α-Fe2O3粉体材料对于100 ppm的乙醇与丙酮的灵敏度在器件的工位温度为250 ◦C与240 ◦C时分别为38与28；中空椭球结构α-Fe2O3乙醇与丙酮具有较高的灵敏度，且该器件具有快速的响应与恢复时间，对于40 ppm的乙醇，响应与恢复时间仅为38秒与34秒；刺球结构的α-Fe2O3材料的响应与恢复时间非常快，其响应时间仅为2秒，而在30秒以内，器件会恢复初始的阻值。