用激光烧结法制备的SnO2薄膜的气敏性质
《SnO2纳米结构的改性及其在气体检测中的应用》范文
《SnO2纳米结构的改性及其在气体检测中的应用》篇一一、引言随着纳米科技的飞速发展,SnO2纳米结构因其独特的物理和化学性质在众多领域中得到了广泛的应用。
SnO2纳米材料具有较高的比表面积、良好的化学稳定性和优异的电子传输性能,尤其在气体检测领域,其应用潜力巨大。
然而,原始的SnO2纳米结构在某些方面仍存在局限性,如灵敏度、选择性和稳定性等方面的问题。
因此,对SnO2纳米结构进行改性研究,提高其在气体检测中的应用性能,显得尤为重要。
本文将介绍SnO2纳米结构的改性方法及其在气体检测中的应用。
二、SnO2纳米结构的改性方法2.1 掺杂改性掺杂是一种常用的SnO2纳米结构改性方法。
通过将其他元素引入SnO2晶格中,可以调整其电子结构和表面性质,从而提高气体检测性能。
常见的掺杂元素包括贵金属(如Au、Pt)、过渡金属等。
掺杂可以增加SnO2纳米结构的活性位点,提高气体分子的吸附能力和电子传输速率。
2.2 表面修饰表面修饰是另一种有效的改性方法。
通过在SnO2纳米结构表面引入有机或无机分子,可以调整其表面化学性质和物理性质。
例如,可以利用含氧官能团与SnO2表面的相互作用,改善其对特定气体的吸附性能。
此外,表面修饰还可以增加SnO2纳米结构的亲水性或疏水性,有利于提高其在实际应用中的稳定性。
2.3 结构调控通过调整SnO2纳米结构的形貌、尺寸和结构,可以优化其气体检测性能。
例如,制备具有高比表面积的纳米花状、纳米线等结构,可以提高气体分子的吸附面积和吸附速率。
此外,控制SnO2纳米结构的结晶度和晶格缺陷,也可以影响其电子传输性能和气体吸附能力。
三、改性SnO2纳米结构在气体检测中的应用3.1 气体传感器改性SnO2纳米结构在气体传感器领域具有广泛的应用。
通过将改性后的SnO2纳米结构制备成薄膜或厚膜传感器,可以实现对多种气体的检测。
例如,利用掺杂贵金属的SnO2纳米结构制备的传感器,对CO、H2等可燃性气体具有较高的灵敏度和快速响应能力。
sno2基纳米材料的制备及其气敏特性研究
摘要摘要由于金属氧化物半导体气体传感器通常具有结构简单、灵敏度高、成本低廉、制作工艺简单等优点,在许多气体探测系统中得到了广泛应用。
然而,在实际应用中,该类气体传感器依然存在着选择性差、工作温度高以及稳定性差、易老化等问题,大大降低了其应用价值。
通过哪些具体可行的措施来提高气体传感器的选择性、稳定性、并降低功耗,探索新的气敏机制、开发新型敏感材料以及新的器件结构,是当前该领域的研究热点。
SnO2虽然是研究最早、当前商业化应用最为广泛的一种金属氧化物半导体气敏材料,具有其它材料不可比拟的优异性能,但以它为基的气体传感器同样存在着选择性差、工作温度高等缺点。
本文以SnO2的一维纳米结构为基,借助材料工程手段获得两种复合结构气体敏感材料,希望通过提高材料比表面积、引入异质结以及表面功能性修饰等多重措施的协同效应改善气体传感器的响应特性。
具体研究工作分为四个方面:1.利用静电纺丝工艺制备了机构稳定、形貌良好的SnO2纳米纤维。
通过控制相对空气湿度(HR)等工艺条件得到了绵长的、粗细均匀的SnO2纳米纤维,并测试分析了SnO2纳米纤维的气敏性能,研究发现SnO2纳米纤维的在工作温度为350℃时,对酒精有较好的响应。
2.采用二步法制备了ZnO/SnO2分级纳米结构。
首先,在静电纺丝法制备的SnO2纳米纤维上生长ZnO种子层,而后采用水热法继续在SnO2纳米纤维上生长大量均匀一致ZnO纳米棒阵列。
采用XRD、SEM、气敏测试系统等手段对材料进行表征,并研究了不同水热时间等工艺参数对ZnO/SnO2分级纳米结构生长的影响。
研究发现,使用250℃处理的种子层对SnO2/ZnO分级纳米结构的生长最有利。
而且随着水热时间从2h、4h、6h的递增,ZnO纳米阵列更加浓密。
随后的气敏测试分析表明,ZnO/SnO2分级纳米结构最佳工作温度为300℃,在此温度下对100ppm的丙酮气体进行气敏测试,灵敏度高达20.8,并对该气体具有一定的选择性。
喷墨打印制备的SnO_2薄膜的气敏特性
6
传 感 器 技 术
第 22 卷
1 实 1. 1
验 SnO2 前驱溶液墨水制备
值 ; R g 为元件在被测气体中的电阻值。 2 结果与讨论 在同浓度的墨水与同样基片的条件下 , 喷墨打 印的次数也就决定了薄膜样品最后的厚度, 打印的 次数越多, 其膜也就越厚。 为了研究膜厚对气体传感 器性能的影响, 分别制备了喷打 SnO 2 前驱溶液墨水 1 次( 样品 1) , 2 次( 样品 2) , 3 次 ( 样品 3 ) 和 4 次 ( 样 品 4) 的薄膜样品进行测试。 2. 1 SnO 2 薄膜的 XRD 表征 经过 500 ! 烧结的喷打 2 次的 SnO2 薄膜 XRD 结 果 显 示 薄 膜 的 衍 射 主 峰 出 现 在 26. 6∀, 33. 7 ∀, 37 . 6∀ 和 51 . 8∀ 处 , 对照 SnO 2 薄膜标准卡片, 可知所 制薄膜材料已形成 SnO2 金红石型结构。 根据斯特莱 公式计算可知, SnO 2 薄膜的晶体粒径约为 13 nm 。 2. 2 喷墨打印的次数对薄膜电阻的影响 图 2 给出了在空气中四个喷打 SnO 2 前驱溶液 墨水不同次数的样品在不同温度下的固有电阻值。
, 热反应沉积法 ( react ive thermal depo
[ 5]
, 磁 控反 应 溅射 ( r. f. mag net ron sputt er 等, 但这些方
, 热解喷涂法( spray pyrolysis)
法并不能完全满足对特殊复杂形状薄膜或多种不同 薄膜集成在单一基底的制备要求。目前有一种较新
2003 年 第 22 卷 第 1 期
SnO2的研究
二氧化锡膜气敏传感器核心研究深入探讨摘要:在论述二氧化锡气敏机理的基础上,介绍了通过掺杂金属、金属离子、金属氧化物等方法制备二氧化锡膜气敏传感器的研究成果以及二氧化锡传感器阵列电鼻子的研究现状,并对其发展趋势进行了展望。
一、引言随着纳米技术的发展,与该项技术相结合的气敏传感器的研究已经成为热门课题。
这类传感器以其较好的灵敏度和选择性、良好的响应和恢复时间以及较长的使用寿命,而被广泛应用于各种有毒有害气体、可燃气体、工业废气、环境污染气体的检测。
1931年,研究人员发现金属氧化物 Cu2O的电导率随H2O蒸汽的吸附而改变,从此拉开了材料气敏特性研究的序幕,并将这种特性与传感器技术相结合而制成气敏传感器。
气敏传感器的敏感材料主要是导电聚合物、金属氧化物和复合氧化物。
导电聚合物包括聚吡咯、聚噻吩、聚吲哚、聚呋喃等;金属氧化物则包括SnO2、ZnO、WO3、Fe2O3、 TiO2、CeO2、Nb2O5、Al2O3、In2O3、LnMO3(Ln=La、Gd ,M=Cr、Mn、Fe、Co)等,其中又以SnO2、 ZnO、Fe2O3 三大体系为主;复合氧化物主要为MxSnO3(M=Cr、Mn、Fe、Co)。
目前普遍采用的方法是以二氧化锡(SnO2)为基材,通过掺杂等方法制备出气敏传感器,用以检测某种气体的成分和浓度。
二、二氧化锡气敏机理的理论模型SnO2 属于N型半导体,含有氧空位或锡间隙离子,气敏效应明显。
关于其气敏机理的理论模型有多种[1],一般认为其气敏机理是表面吸附控制型机制[2],即在洁净的空气(氧化性气氛)中加热到一定的温度时对氧进行表面吸附,在材料的晶界处形成势垒,该势垒能束缚电子在电场作用下的漂移运动,使之不易穿过势垒,从而引起材料电导降低;而在还原性被测气氛中吸附被测气体并与吸附氧交换位置或发生反应,使晶界处的吸附氧脱附,致使表面势垒降低,从而引起材料电导的增加,通过材料电导的变化来检测气体。
溶胶—凝胶法制备SnO_,2_气敏薄膜及其性能研究
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1.1 气敏传感器研究意义及发展
随着科学技术的发展,工业生产规模逐渐扩大,产品的种类不断增多,生产中 使用的气体原料和在生产过程中产生废气体的种类和数量也不断增加。这些气体物 质中有些是易燃易爆的,有些是有毒的.它们泄漏到空气中就会严重地污染环境并 有产生爆炸、火灾及使人中毒的潜在危险。另一方面,随着生产的发展,人类的生 活水平不断提高,液化石油气、城市煤气及天然气作为家庭用燃料基本普及,由这 些可燃性气体的泄漏所引起的爆炸和火灾事故也日益增多。因此,对可燃有毒气体 的报警迫在眉睫。 气敏效应最早是在 1931 年发现的。布劳尔发现 Cu2O 电导率随水蒸气吸附而改 变,由此拉开气敏传感器的研究序幕。而半导体气敏传感器件是六十年代初期研制 成功的。1962 年,日本等首先进行半导体气敏元件的实用化研究,成功研制了实用 化的 ZnO 气敏元件。它是利用加热条件下,ZnO 薄膜电阻随接触的可燃性气体浓 度的增加而下降的特性,实现对可燃性气体的检测。1964 年,美国研制了实用化的 SnO2 气敏元件,通过进行贵金属掺杂,大大提高了气敏元件的灵敏度,并采取了一 些措施,克服了其机械强度和稳定性等在实际应用方面的不足。1972 年,日本清山 哲郎以 SnO2 为原料,制备出烧结体型气敏元件。SnO2 气敏传感器的商品化,使人 们去探索各种新的气敏传感器。 由此, 各种不同材料的气敏传感器相继问世, 如 ZnO 系、Fe2O3 系等气敏材料。然而,在各种气敏传感器材料中,SnO2 以其优越的性能 占据了大部分气敏传感器市场[1]。与其他材料相比,SnO2 具有以下优点: (1)气敏器件阻值随检测气体浓度具有指数变化关系.因此,这种器件通常适用
贯通有序大孔SnO2气敏材料的制备及气敏性能
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2016年第35卷第11期·3570·化 工 进 展贯通有序大孔SnO 2气敏材料的制备及气敏性能王莹,王晓冬,许亚威,周利星,魏莹,仪桂云(河南理工大学材料科学与工程学院,环境友好型无机材料河南省高校重点实验室培育基地,河南焦作 454000)摘要:以聚苯乙烯(PS )微球为模板,氧化锡(SnO 2)纳米晶为骨架,采用颗粒模板法成功制备了贯通有序大孔SnO 2气敏材料。
改变PS 微球的粒径,可以调节大孔SnO 2气敏材料的大孔孔径,本文以平均粒径约284nm 和356nm 的PS 微球制备了大孔孔径分别约为200nm 和260nm 的贯通有序大孔SnO 2气敏材料。
对制备的样品进行了热重、X 射线衍射、扫描电子显微镜和氮气吸附脱附分析。
结果表明:大孔排列高度有序,孔道贯通,孔壁由SnO 2纳米晶构成。
制备的大孔SnO 2气敏材料不仅具备大孔-介孔-微孔结构,而且具有大的比表面积,具备优异的气敏性能。
气敏测试结果表明孔径为200nm 和260nm 的贯通有序大孔SnO 2在280℃的工作温度下对300μL/L 的乙醇气体的灵敏度为145、245,分别是无大孔SnO 2纳米晶的2.2倍、3.7倍。
关键词:二氧化锡;纳米材料;气敏材料;粒子;有序大孔;水热中图分类号:TQ 17 文献标志码:A 文章编号:1000–6613(2016)11–3570–06 DOI :10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.028Preparation of interconnected ordered macroporous SnO 2 gas-sensingmaterial with enhanced gas-sensing propertiesWANG Ying ,WANG Xiaodong ,XU Yawei ,ZHOU Lixing ,WEI Ying ,YI Guiyun(Cultivating Base for Key Laboratory of Environment-friendly Inorganic Materials in University of Henan Province ,School of Materials Science and Engineering ,Henan Polytechnic University ,Jiaozuo 454000,Henan ,China )Abstract :Interconnected ordered macroporous SnO 2 were prepared via template method by utilizing polystyrene (PS )microspheres as template and SnO 2 nanocrystals as framework. The pore size of the macropores can be controlled by changing the diameter of PS microspheres. Macroporous SnO 2 with average pore sizes of 200nm and 260nm were prepared via PS microspheres with the diameters of 284nm and 356nm ,respectively. The as-prepared samples were characterized by thermogravimetric analysis ,scanning electron microscope (SEM ),X-ray diffraction (XRD ),and Nitrogen adsorption-desorption analysis. The as-prepared samples are consist of ordered macropores ,interconnected nanopores ,and SnO 2 nanocrystals. The as-prepared sample possess macro-/meso-/micro-structure with large surface area ,which is beneficial for gas-sensing. The responses of macroporous SnO 2 with average pore size of 200nm and 260nm towards 300μL/L ethanol vapor at 280℃ are 145 and 245 respectively ,which are 2.2 and 3.7 times higher than that of SnO 2 nanocrystals.Key words :stannic oxide (SnO 2);nanomaterials ;gas-sensing materials ;particle ;ordered macroporous ; hydrothermal科研项目计划(15A430027,13A430315)。
Ag掺杂SnO_2纳米纤维的制备及其气敏特性研究
i x o e o 5 0 p C2 t2 0 ℃ . se p s d t 0 0 p m H2a 0
Ke r : n a o b r g s s n i g; lc r s i n n d pig y wo ds S O2n n f e ; a e sn ee to p n i g; o n i
宁玲 玲 , 贾建 峰 , 明 岗, 新 昌 李 新建 赵 王 ,
( 郑州大学物理] 程学 院材料物理教育部重点实验室, 一 郑州 40 5 ) 5 02
摘 要 : 以聚乙烯醇 (V ) SC ・H O P A 和 n 1 2 : 为原料采用 静电纺丝技术制备纯 SO 及 A 掺杂 SO 纳米纤 维。经 70o退火 。 n g n 0 C
米纤 维 的表面均 出现 明显 的多 孔 结构 , 们 认 为这 我
拌 的过程 中滴加适量 的酒 精 , 然后使 溶液静 置冷却 至
室温 , 到均 匀 的、 一 定 粘 度 的 P A S C 2 得 有 V / n 1 ・H O
些 多孔结 构将会 有利 于材料 气敏 性能 的提高 。
化学气相 沉积法 等 , 中静 电纺 丝 法是 自在 二 十世 其 纪九十年代 因纳米 热 潮 而兴 起 , 它是 一 个简 单 而有 效 的方法 , 有成本 低 、 具 操作 过程容 易控制等 一系列
项 目来 源 : 国家 教 育部 科 学 技 术研 究重 点 项 目( 00 4 ; 南 省 重 大攻 关 项 目(8 1 110 7 28 8 ) 河 02 05 00 )
烧结后制得了连续 多孔 的 S O 纳米纤维。研究 了 A n: g的掺杂对 S O 纳米纤 维的 C H 气体敏感性能的影 响, n: 结果表 明 A g的 掺杂对 S O n 纳米纤维的 C H 气体敏感性能具有明显的影 响, A 掺杂量为 8t : 在 g a%时 SO 纳 米纤 维对 c H n : 气体具有最佳
SnO2基薄膜气体传感器制作与敏感性测试
机械制造 4 6卷 第 52 3 期
20 /2 08 1
因 SO 基 底 和 S O: 间 点 阵 错 配 度 较 大 , 以 成 i: n 之 难
为 晶 体 生 长 基 础 , 论 上 应 形 成 非 晶 态 薄膜 镀 层 , 理 扫
描 电 子 显 微 镜 ( HYL P 公 司 产 X 3 ES P IS L 0 MS 型 , 速 加 电 压 2 V) 察 证 实 了 这 一 猜 测 ( 3 , 大 2 0 倍 0k 观 图 )放 40 0
S O2 n 基薄膜 气体 传感器 制作与敏感性测试
口 竺志大 口 王昌龙
2 5 0 20 9 扬 州 大 学 机 械 工 程学 院 江苏扬州
摘
要: 现有的粉末烧结型 SO 基气体传 感器基础上研制 了薄膜型 SO 基气体传感器, 在 n: nz 以抛 光的耐热石英玻璃为
基片 , 真空磁控溅射5 O一7 m厚度的 SO 薄膜 , ¥ O薄膜上分别溅射不连续的 Z O A2“C O 、n 2 0n n 在 nz n 、I O e 。IO 等薄膜 , 传感器背
常 规 尺 寸 材 料 电导 效 应 的 差 异 , 降低 传 感 器 工 作 温 度 。 另 外 还 通 过 多 种 复 合 膜 方 法 提 高 对 不 同 气 体 的 选 择 性 , 验 表 明 采 用 适 当 的 复 合 膜 后 工 作 温 度 可 下 降 试 1 0—1 0 。 2 本 课 题 组 研 制 的 S O 基 纳 米 薄 膜 0 5℃ 图 为 n : 传 感器结构 。
面溅射3 m 的 N8 C2 电阻合金作为传感 器加 热电阻 , 0 i0 r0 用薄膜 热电偶 测量传感器工作温度。 测试 了不 同的复合膜对传 感器灵敏度和 选择 性的影响 , 并对传感器的吸附与解吸速 度进行 了测试 , 薄膜传 感器达到相 同灵敏度所 需的工作 温度 比
SnO2纳米材料的制备及气敏性能研究-微电子学与固体电子学专业毕业论文
SnO2纳米材料的制备及气敏性能研究-微电子学与固体电子学专业毕业论文5n02纳米材料的制备及气敏性能研究一般Sn02纳米材料及本文中的Sn02纳米空心球,主要原因是该材料暴露的{1l 1)晶面具有很高的催化活性,有助于氧化还原反应的快速进行。
采用水热法合成暴露{332}高指数晶面的Sn02正八面体,Sn02{332}JE/\面体棱长为95nm,两顶点间距离为140nm,在最佳工作温度250。
C下,对800ppm 乙醇气体的灵敏度达2200,约为Sn02{111)最大灵敏度的12倍,且最佳工作温度低于Sn02{111),响应恢复时间分别为1.5s和32s,气敏性能优于Sn02{111)八面体材料,原因是f332}晶面的催化活性高于{111)晶面,反应速率更快且最佳工作温度降低。
关键词:空心球;高指数晶面;气敏性能万方数据厦门大学硕士学位论文AbstractAbstractAs the science and technology of modem society develop rapidly,living standards improves,at the same time,environmental pollution is also becoming more and more serious,including gas pollution.Thus gas sensors are used to monitor the environment gas and sound the alarm in time,which Can effectively solve the gas pollution problem.In a variety of gas sensors,the gas sensor of metal oxide semiconductor has high sensitivity,low cost,long life and other advantages.Combining with the nanotechnology further improve the performance of gas sensitive.Sn02 nano material is one of the most common used gas sensitive substrate materials,but in practical application there are still some shortcomings,like poor selectivity and11igh working temperature.Thus for the sake of further improving the gas sensor applications of nano Sn02 materials,reducing size of materials,doping and some other methods are used.Among these methods,changing the microstructures Can effectively increase thethe exposed high specific surface area,then increase the amount of target gas.Regulatingenergy facets Can improve the surface reactivity of material,thus improve the reaction rate.In this study,two methods of changing the microstructures and regulating the exposed high energy facets to improve the performance of gas sensitive have been investigated.The connections between gas sensing a nd m icrostructure and crystal activity have also been explained.One step hydrothermal synthesis without any template has been used to preparediameter of which are 1 40-200 nln.The Sn02 hollowSn02 hollow nanospheres,thenanospheres are typically hierarchical structure,which consists of Sn02 nanoparticles.Compared with four kinds of organic gas as acetone,methanol,acetyleneand butane,the Sn02 hollow nanospheres shows excellentselectivity to ethanol gas.At the optimal operating temperature of250。
《花状结构SnO2及其复合材料的制备与气敏性能研究》
《花状结构SnO2及其复合材料的制备与气敏性能研究》一、引言随着现代科技的快速发展,气敏传感器在环境监测、工业生产安全、医疗卫生等领域得到了广泛应用。
花状结构SnO2作为一种重要的气敏材料,因其独特的结构和优异的性能而备受关注。
本文旨在研究花状结构SnO2及其复合材料的制备方法,并探讨其气敏性能。
二、花状结构SnO2的制备1. 实验材料与设备实验所需材料包括锡源、表面活性剂、溶剂等;设备包括搅拌器、烘箱、马弗炉等。
2. 制备方法采用溶胶-凝胶法结合水热法,通过调整反应条件,制备出具有花状结构的SnO2。
具体步骤包括溶液配制、搅拌、水热反应、洗涤、干燥等。
三、复合材料的制备本文研究了SnO2与不同材料的复合,如贵金属(Ag、Pd)等。
通过将金属离子掺杂到SnO2基体中,再进行还原处理,形成金属/SnO2复合材料。
四、结构与性能分析1. 结构分析采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等手段对制备的SnO2及其复合材料进行结构分析,观察其形貌、晶格等特征。
2. 气敏性能测试通过气敏传感器测试系统,对SnO2及其复合材料的气敏性能进行测试。
分别对不同浓度的目标气体(如CO、H2S等)进行测试,观察其响应值、响应速度等指标。
五、结果与讨论1. 制备结果通过调整反应条件,成功制备出具有花状结构的SnO2及其与不同金属的复合材料。
SEM、TEM等手段观察到其形貌特征,XRD分析表明其具有较好的结晶度。
2. 气敏性能分析实验结果表明,花状结构SnO2及其复合材料具有优异的气敏性能。
在目标气体浓度较低时,其响应值较高;在目标气体浓度较高时,其响应速度较快。
与单一SnO2相比,复合材料的气敏性能得到进一步提高。
这主要归因于金属的掺杂改善了SnO2的导电性能和表面吸附性能,从而提高了其气敏性能。
六、结论本文研究了花状结构SnO2及其复合材料的制备方法与气敏性能。
通过调整反应条件,成功制备出具有优异气敏性能的SnO2及其复合材料。
SnO_2纳米材料微结构及其掺杂的气敏性能研究
SnO_2纳米材料微结构及其掺杂的气敏性能研究随着现代科技的快速发展,大气污染问题越来越严重,可挥发性有机气体、易燃易爆等危险气体的检测和控制已成为研究热点之一。
由于金属氧化物半导体传感器具有性能优良、成本较低、使用方便等优点,研制具有良好通透性的金属氧化物气敏基体材料,有效控制气敏材料的微结构、形貌及比表面积,选择合适的掺杂或催化手段等,可有效改善或提升气敏性能,有利于气体传感器的更加广泛应用。
为此,本文主要研究不同维度多种形貌的SnO2纳米材料微结构的制备方法,探索提升SnO2气体传感器性能的有效途径,利用密度泛函理论进行计算机模拟计算,从电子级别上对SnO2纳米材料的气敏机理进行初步探讨。
利用溶胶凝胶法制备了具有金红石结构的SnO2纳米颗粒,分别掺入适量TiO2和碳纳米管,采用本文创建的“液滴引导定位涂覆法”,制作了低功耗微热板式气敏元件。
分析了 SnO2/TiO2复合材料对乙醇气体具有较高灵敏度的原因,主要是由于两种粒子晶界处的费米能级位置不同,电子从TiO2流向SnO2,在SnO2材料表面形成电子累积层,促进了氧在材料表面的吸附及电离,材料在空气中的电阻值升高;当还原性气体与材料表面吸附氧进行反应时,释放电子进入材料表面,使得表面电子数量增加并向材料内部扩散,材料电阻值降低,灵敏度升高。
SnO2/CNT 材料中的CNT具有疏松多孔的中空管道结构,利于改善材料内部气体输运通道,增加气体与材料表面的接触机会,适量掺入CNT可引进“溢出”机制,进一步促进氧在材料表面吸附,从而改善材料的气敏性能。
利用密度泛函理论计算了 Sn02块体材料、SnO2(110)晶面的表面结构及其物理性质,分析了氧在SnO2(110)晶面的吸附,以及乙醇等气体在吸附氧的SnO2(110)晶面的吸附现象。
计算结果表明,乙醇与材料表面的吸附能和净转移电荷的数值最大,材料带隙变化最大,因此气敏材料对乙醇的选择性最强,这与气敏元件的测试结果相吻合。
SnO_2基材料的合成及性质研究
SnO_2基材料的合成及性质研究【摘要】:近年来,纳米二氧化锡基材料是气敏器件应用领域备受关注的功能材料之一,其应用研究已经成为热点。
同时,由于稀磁半导体潜在的发展前景,纳米二氧化锡及其过渡金属掺杂已激起人们的研究兴趣。
另一方面,由于纳米二氧化锡薄膜独特的光学和电学特性,其透明电极方面的应用也备受关注。
但是,满足器件使用的Sn02材料还面临一些需要解决的问题,例如,在气敏传感器应用方面:纯Sn02灵敏度和稳定性较差,需要贵金属或金属离子的修饰,薄膜质量以及比表面积的提高;在氧化物稀磁半导体方面:居里温度的提升以及铁磁性的来源机制;透明电极方面:电学性质或光学性质进一步的提高等。
本论文以二氧化锡(Sn02)基材料为研究对象,针对以上问题研究了Sn02及其掺杂纳米材料的制备和性质。
主要研究结果如下:(1)采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法,在Si衬底上制备了高质量的Sn02薄膜。
深入研究了薄膜的结构、成份、表面形貌、光学特性以及快速热退火温度对Sn02薄膜的影响。
发现600℃快速热退火后的Sn02薄膜显示出最优的性质,此时薄膜已完全结晶,且晶粒尺寸较小,比表面积大,有利于提高气敏传感器的灵敏度。
分析和研究了光致发光谱可见光波段的红移现象,该现象的机理在于纳米颗粒的量子限域效应,并与氧空位或锡空位等缺陷有关。
当快速热退火温度升高至800℃时位于3450cm-1处的OH 基的伸缩振动吸收带仍然存在,表明了小尺寸的Sn02纳米薄膜具有大量的活性表面,易吸附氧而形成OH,有利于提高氧化锡半导体材料的催化和气敏传感。
改进了工艺,在最优的退火温度下,通过加入不同的添加剂,成功合成了多孔Sn02薄膜,并解决了Sol-Gel法制备的薄膜开裂严重的问题。
(2)Sol-Gel法制备了Fe掺杂Sn02材料,发现Fe的摩尔浓度和退火温度对Sn1-xFexO2-δ的微结构和磁学性质有很大影响。
XRD结果表明x≤0.1的样品具有金红石结构,随着Fe含量的增加,衍射峰宽化,意味着当铁离子替代了锡离子后导致晶粒尺寸的缩小。
简述基于SnO2的气敏材料研究
简述基于SnO2的气敏材料研究摘要:近年来,由于能源开发、航空航天、石油化工、安全生产等各个方面的需要,对易燃易爆、有毒性气体的监测就变得愈发重要。
尤其是研制出灵敏度高、选择性好、稳定性好、响应恢复时间快、使用寿命长的气体传感器成为今后气体传感器的重要研究课题。
因而,开发出具有实际应用价值的新型气敏材料,成为当前研究的热点。
本文将通过几种基于SnO2的气敏材料介绍现在的一些相关研究的成果。
关键词:气敏材料,SnO2,气敏特性一、Pd掺杂SnO2纳米膜以分析纯SnC12·2H2O和PdCl2为主要原料,控制不同n(Pd 2+)/n(Sn2+ ),利用溶胶凝胶——浸渍提拉法制备了Pd掺杂SnO2纳米膜。
用XRD、AFM 对样品的结构、形貌进行了分析,并测试了Pd掺杂SnO2纳米膜的阻温特性和对H2敏感性能。
结果表明,Pd掺杂SnO2纳米膜平整而致密,表面椭球形粒子颗粒尺寸约为20nm;Pd掺杂SnO2为金红石型晶体结构,但Pd 2+进入SnO2晶格代替八面体中部分Sn2+,导致其晶胞参数比未掺杂SnO2略小;Pd掺杂Sn()!纳米膜的电阻随温度升高而减小.表现出n型半导体阻温特性;随着Pd掺杂比例的增大,元件的电阻增大,其对H2的灵敏度先增大后减小,当掺杂比例为l%时对H2灵敏度最高。
又有学者研究,利用非模板水热法合成了Pd掺杂的SnO2纳米颗粒,并利用透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和X光电子能谱(XPS)表征了Pd掺杂对晶体结构、表面形貌、微观结构、热稳定性和表面化学状态的影响。
研究发现:水热过程中Pd掺杂对形成的SnO2纳米颗粒大小几乎没有影响,在500℃以下的煅烧过程中,掺杂的Pd可以有效抑制颗粒的生长,但在700℃以上时颗粒生长迅速。
XPS结果显示合成样品中Pd的化学状态有三种:Pd0、pd2+和Pd4+针,其中的主化学状态Pd4+有效促进了气敏性能的提高。
为了同时提高气敏性能和热稳定性,Pd的最佳掺杂量为2.0%—2.5%(摩尔分数)。
片状SnO2薄膜的制备及光电化学性质研究
片状SnO2薄膜的制备及光电化学性质研究作者:张成喜张兴王姬来源:《科教导刊·电子版》2020年第07期摘要首先采用简单的水热方法在透明导电玻璃(FTO)上成功制备片状的SnS2薄膜,之后将SnS2薄膜在马弗炉中退火处理得到片状的SnO2。
利用XRD,SEM,等设备对薄膜样品的晶体结构,形貌进行了表征分析。
讨论了SnO2薄膜样品的光电化学性质,结果表明,具有片状形貌的SnO2薄膜样品具有良好的光电化学特性。
关键词复合薄膜光电化学光电极材料中图分类号:TQ426 文献标识码:A0引言近年来,能源消耗和环境污染等问题日益严重,发展清洁能源是解决上述问题的关键。
氢能具有燃烧效率高、不产生温室气体等优点被认为是最有希望的一种清洁能源。
1972年Fujishima等人利用TiO2作为光电极,采用光电化学方法成功将太阳能转换为氢能。
此后的几十年里,大量的研究工作集中在寻找禁带宽度合适、光吸收优异的光电极材料。
其中金属氧化物半导体材料由于其廉价、禁带宽度合适、具有良好的光吸收特性和化学稳定性等特点成为了最有希望的光电极材料。
研究表明,具有纳米形貌的金属氧化物半导体材料具更好的光吸收性质等特点。
因此,本文利用水热后退火处理的方法成功制备了片状的SnO2薄膜并对薄膜样品的光电特性进行了研究。
1实验1.1片状结构SnO2薄膜的制备采用简单的水热方法制备SnS2样品。
首先,经过化学计量比计算,称取SnCl4 5H2O (0.63 g)溶解在40 ml异丙醇中充分搅拌,待SnCl4 5H2O全部溶解后加入硫代乙酰胺(0.67 g)继续搅拌得到澄清溶液。
将得到溶液倒入50ml水热釜中,并在釜中放入一片FTO,在180€癈下反应24 h。
反应结束后自然冷却到室温后取出SnS2薄膜样品,并用去离子水冲洗干净。
之后制备SnO2薄膜样品。
将得到的SnS2薄膜放入马弗炉中进行退火处理,在550€癈条件下退火处理4h,升温速率为8€癈/min,自然冷却后将薄膜样品冲洗,干燥准备进行测试分析。
二氧化锡氧化锌复合物的制备及其在室温下气敏特性研究
二氧化锡/氧化锌复合物的制备及其在室温下气敏特性研究二氧化氮(NO<sub>2</sub>)气体是汽车发动机、工业生产和发电机等在燃烧过程中产生的一种常见空气污染物。
由于NO<sub>2</sub>气体的毒性,暴露在NO<sub>2</sub>气体中时会对人体健康产生严重的影响,包括嗅觉麻痹和呼吸道疾病等。
因此,研制一种稳定的、灵敏度高、室温下能检测到极低浓度二氧化氮气体的气体传感器是非常必要的。
半导体金属氧化物,如二氧化锡(SnO<sub>2</sub>),氧化锌(ZnO),二氧化钛(TiO<sub>2</sub>),氧化镍(NiO)等,由于其优异的气体响应性和选择性,是目前研究最多的气体传感材料。
另外具有高表面积、全电子损耗的纳米结构有利于提高传感材料的传感性能,特别是纳米纤维、纳米棒、纳米管等具有这种优势的一维纳米结构被广泛应用于改善气体传感性能。
但是,单一的气体敏感材料一般存在室温下响应值比较小,重复性较差,检测极限受限等固有缺陷。
研究表明由多种纳米材料制备而成的复合气体敏感材料可以同时兼顾多种材料的优异特性,能够表现出比单一气体敏感材料更加优异的传感性能。
因此本论文基于静电纺丝技术设计并制备了一种新型一维二氧化锡@氧化锌(SnO<sub>2</sub>@ZnO)复合多孔中空纳米纤维。
并进一步设计实验探究了SnO<sub>2</sub>@ZnO在室温下的气体传感性能,最后讨论了基于SnO<sub>2</sub>@ZnO的气体传感器对NO<sub>2</sub>气体的响应传感机理。
最后,又创新性的使用丝网印刷技术设计制备了一种柔性可穿戴电极,45度弯曲循环一万次后电阻几乎保持不变,并与制备好的SnO<sub>2</sub>@ZnO复合多孔中空纳米纤维样品集成了一种新颖的柔性可穿戴气体传感器。
SnO2透明导电膜的结构性能及光电特性分析
SnO2透明导电膜的结构性能及光电特性分析透明导电薄膜的种类很多,目前主要有金属透明导电薄膜、氧化物透明导电薄膜、非氧化物透明导电薄膜和高分子透明导电薄膜,其中对金属氧化物透明导电膜的研究比较早。
20世纪50年代前后,出现了硬度高、化学稳定的SnO2基薄膜和综合光电性能优良的In2O3 基薄膜,并制造出了最早有应用价值的透明导电膜NESA-SnO2薄膜,80年代后出现了研究SnO基薄膜的热潮,现已形成SnO2薄膜及其掺杂体系、Cd2SnO4薄膜体系、In2O3薄膜及其掺杂体系、SnO薄膜及其掺杂体系等四大类。
目前单层膜低辐射玻璃的材料主要以SnO2、In2O3、SnO等宽禁带半导体氧化物为主,特别是ITO和SnO2基的低辐射玻璃[2,3];SnO2成本较低,通过掺杂F、Sb或P等,能大幅度提高SnO2膜的电导率,其中掺F的SnO2膜还具有高透光性、耐腐蚀性等优点,是一种比较理想的低辐射膜[3-9]。
透明导电薄膜具有良好的光电性能,近几十年以来发展很快,透镜光学系统的设计不断得到优化。
其中,液体透镜就是一种是最为简单、成像质量较好的新型透镜。
基于电湿效应的液体透镜,在外加电压驱动时,其变焦响应速度快,抗震性好,成像性能较为稳定,并且功耗低。
可应用于很多领域,有着广泛的应用前景。
本文将采用超声喷涂热解淀积工艺将SnO2:F透明导电薄膜均匀地制备于小尺寸石英管的内、外壁和底部,并对石英管内电场及两种液体界面处的光电特性进行分析。
1SnO2透明导电膜的结构性能1.1 透明导电薄膜透明导电薄膜是指对可见光(波长λ在380~760nm范围内)的透射率高且电导率高的薄膜。
一般讲,可见光的平均透光率Tavg80%、电导率在103Ω-1cm-1以上的薄膜才被称为透明导电膜。
只有能同时满足上述两种条件的材料才能在透明导电膜上应用。
1.2 薄膜结构作为一种多功能无机材料的SnO2透明导电薄膜,不仅兼备低电阻,高的可见光透过率,还具有优良的膜强度和化学稳定性,在太阳能电池,功率加热及光电器件等领域中得到了广泛的应用。
花状SnO_2的制备及其气敏特性的研究_田江丽
制备 SnO 2 纳米材料的方法有很多, 如气相沉
[9 ] [10 ] , 固相合成法 , 溶胶 - 凝胶法 , 水热合 [12-13 ] [8, 14-17 ] , , 溶剂热法 静电纺丝法 及模 [11 ]
[18 ]
等. 每种方法都各有其特点, 制备的 SnO 2
材料的结构和性能也有所不同. 本文采用溶剂热 法, 制备了一种新型花状多孔分级结构 SnO 2 的纳 SEM 表征手段对材料的形貌 米材料, 利用 XRD, 和结构进行了表征. 将制备的花状 SnO 2 制成气敏
收稿日期: 2013-03-13. 基金项目: 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 61176068; 61131004; 61001054) . 作者简介: 田江丽( 1987- ) , 女, 硕士研究生; 王 兢( 1955- ) , 女, 教授, 博士生导师. Email: wangjing@ dlut.edu.cn. 通信作者: 王 兢,
Abstract: In this paper,a flowerlike SnO 2 nanomaterials were synthesized by using a solvothermal method, and the organic solvent was ethylene glycol ( C 2 H 6 O 2 ) . The structure of SnO 2 was characterized by Xray diffraction ( XRD) and field emission scanning electron microscope ( FE -SEM) . The diameter of the “flower” is about 3 4 μm,and the petals are composed of nanoparticals with a size around 10 nm,which indicates a porous and hierachical structure. The sensors fabricated by flowerlike SnO 2 exhibited good sensing properties to acetone at operating temperature of 350 ħ ,and the minimum test concentration was volume fraction 1 ˑ 10 -6 . The response time and recovery time of the sensors to 100 ppm acetone were about 40 s and 50 s, respectively. The response value of the sensor to acetone is much higher than other possible interference gases such as benzene,toluene,methanol,formaldehyde,ammonia etc. Keywords: gas sensor; SnO 2 ; solvothermal; hierarchical structure; acetone SnO 2 是一种典型的 n 型宽禁带半导体材料 ( E g = 3.6 eV, 300 K ) . 因其具有较高的电导率, 稳 定的晶体结构 , 低廉的成本等优点, 而成为目 前研究和应用最为广泛的半导体气敏材料之一.
SnO2薄膜的制备及其光电特性
SnO2薄膜的制备及其光电特性刘绰;马蕾;彭英才【摘要】以高纯Sn丝为蒸发源,采用真空热蒸发法在石英衬底上沉积了厚度为205 nm的金属Sn薄膜.随后,在高纯氧氛围中于200~500℃条件下进行氧化处理.利用X线衍射仪、拉曼光谱仪、分光光度计和数字源表测量了不同氧化温度下样品的结构、光学、电学特性.结构测量表明,不同氧化温度会产生不同结晶状态的氧化产物,提高氧化温度可得到单一、稳定的四方晶系SnO2.光学测量结果证实,随氧化温度的升高,薄膜样品的光学带隙增大,电流-电压测试表明薄膜电阻率随氧化温度的升高而降低.%Sn thin films with thickness of 205 nm were deposited on quartz substrates surface by vacuum thermal evaporation method using high purity Sn wire as evaporation source.Then,the films were under oxidation treatment in the temperature range of 200~500 ℃C in high purity oxygen atmosphere.The films were characterized using X-ray diffraction(XRD),Raman spectrometer,spectrophotometer and source meter for their structural,optical and electrical properties respectively.The measure for structural studies reveal that SnO2 of tetragonal system with a single crystal orientation is obtained under the high temperature.The optical measurement shows that thin film optical band gap in creases with oxidation temperature rises.The current-voltage characteristics show that electrical conductivity decrease with increasing oxidation treatment.【期刊名称】《河北大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2017(037)002【总页数】5页(P123-127)【关键词】真空热蒸发;Sn薄膜;SnO2;氧化处理【作者】刘绰;马蕾;彭英才【作者单位】河北大学电子信息工程学院,河北保定071002;河北大学电子信息工程学院,河北保定071002;河北大学河北省数字医疗工程重点实验室,河北保定071002;河北大学电子信息工程学院,河北保定071002【正文语种】中文【中图分类】TG156.21SnO2是一种n型宽带隙氧化物半导体材料,禁带宽度Eg=3.6~3.8 eV.SnO2薄膜由于具有可见光透光性好、紫外吸收系数大、室温下抗酸碱能力强等优点,在太阳能电池、电热材料、透明电极材料以及气敏材料等方面有广阔的应用前景[1-4].实际应用中,SnO2作为气敏传感器、锂离子电池负极材料、太阳能电池透明及减反射膜等用途时,90%以上采用四方晶系.SnO2薄膜的制备工艺有多种,如磁控溅射、化学气相沉积、金属有机物热分解法、超声波喷雾热解法、热蒸发法、溶胶-凝胶法等[5-6],其中热蒸发法镀膜具有设备简单、操作容易、成本低廉等优点而成为一种具有较为实用价值的制备方法.本文采用先真空热蒸发制备Sn薄膜,再在氧气氛围下进行退火处理的工艺流程,系统研究了不同氧化温度对薄膜的结构、组分变化、光学特性、电学特性的影响.结合SnO2实际应用中多采用四方晶系的特点,本文试图通过对SnO2薄膜热蒸发制备工艺的探索为工业应用提供参考.薄膜沉积设备采用真空镀膜机,蒸发源选用质量分数为99.99%的Sn丝,将高纯Sn粒放置于蒸发腔室内的凹槽形钼舟中,经清洁处理后的石英衬底置于距蒸发源10 cm上方的托盘上.蒸发时,蒸发腔室真空度保持在3×10-3 Pa以下,托盘以30 r/min的速度旋转以保证成膜均匀.将真空热蒸发法制备的Sn薄膜置于高温退火炉中进行氧化处理,为准确探究氧化温度对SnO2薄膜成膜形态和结构的影响,设计退火温度为200、300、400、450和500 ℃,氧气流量为1.5 L/min,氧化时间为90 min.2.1 XRD分析对经不同退火温度处理后的样品进行XRD分析,如图1所示.对于经200 ℃退火工艺处理后的样品,在2θ=29.90°处出现了SnO的(101)晶面的衍射峰[7],30.64°和32.02°为Sn的(200)和(101)晶面的衍射峰,36.74°和52.94°为立方晶系SnO2的(200)和(220)晶面的衍射峰,而63°左右的小峰包是由Sn、SnO、SnO2共同作用的结果[8-9].从图1中可见,该温度退火后的样品,其Sn的衍射峰较强,而SnO、SnO2的峰较弱,这表明该退火温度可使薄膜发生氧化,但氧化不充分.经300 ℃退火后的样品,在31.66°处出现了立方晶系SnO2的(111)晶面的衍射峰,且Sn的衍射峰消失,表明薄膜已被完全氧化.经400 ℃退火后的样品,在34.06°处出现了四方晶系SnO2的(101)晶面的衍射峰,且其他衍射峰有所减弱,表明SnO2的晶体结构发生了改变.经450 ℃退火后的样品,四方晶系SnO2(101)晶面的衍射峰明显增强,而其他衍射峰明显变弱,表明薄膜随机取向逐渐减弱.经500 ℃退火后的样品只出现了SnO2(101)晶面的衍射峰,表明薄膜晶体排列变得整齐.综上所述,随退火温度的升高,Sn先被氧化为SnO,再被氧化为立方晶系的SnO2,最后被氧化为四方晶系的SnO2,且结晶取向变得单一,这表明退火温度的升高不仅有利于Sn薄膜的氧化,而且使结晶取向变得单一、稳定.表1展示了退火后各样品主要晶面的结构参数,其中晶粒尺寸D由谢乐公式计算得出,式中K为谢乐常数,取K=0.89;λ为X线波长,λ=0.154 05 nm;β为衍射峰半高宽.从表格可见,随氧化温度的升高,立方晶系(111)晶面的晶粒尺寸逐渐减小,四方晶系(101)晶面的晶粒尺寸逐渐增大.2.2 拉曼分析SnO2的晶胞包含2个锡原子和4个氧原子,在第一布里渊区共有18种振动模式.立方晶系SnO2中4个拉曼模式的出现是由于氧原子在锡原子周围的振动,其中由氧原子垂直于C轴振动引起的3个简正模式分别为A1g,B1g,B2g,由氧原子平行于C轴振动引起的双重退化模式为Eg[10].图2为经不同温度退火后样品的拉曼图,经200 ℃退火工艺处理后的样品,在655 cm-1处出现了SnO2的Eg振动模式峰,在692 cm-1处出现了A1g振动模式峰,在748 cm-1处出现了SnO2的B2g振动模式峰[11-12].经300 ℃退火后的样品,3个拉曼峰均明显增强.经400 ℃退火后的样品,3个拉曼峰峰强相较于300 ℃退火后的样品略低.拉曼峰强的变化与XRD中立方晶系SnO2峰强的变化一致,表明立方晶系SnO2的含量随退火温度的升高先增加后减少.经450 ℃退火后的样品,由于四方晶系SnO2的出现,拉曼峰位发生了明显变化,根据文献[13]记载,619 cm-1处为Eu振动模式峰,670 cm-1处为伸缩模式的峰.2.3 光学特性图3为经不同温度退火后样品的透射谱,可以看出SnO2薄膜的透射率随波长的增加而增大,且对可见光(400~760 nm)透过性较好.此外,随退火温度的升高SnO2的透射率逐渐增大,这不仅表明温度升高有利于Sn氧化为SnO2,还表明SnO2的四方晶系比立方晶系光透过性好.图4为经不同温度退火后样品的吸收谱,吸收系数随波长增加而减小,且最大值位于低波长范围;同时,吸收系数随退火温度的升高而减小.应用Tauc公式(αhυ)n=C(hυ-Eg),其中hυ为光子能量,Eg为禁带宽度,C为常数,n是与材料能带结构有关的常量,SnO2是直接带隙材料,取n=2.画出横坐标为hυ,纵坐标为(αhυ)2的曲线,然后做出直线,并延长至与αhυ=0相交,如图5,图中x轴的截距即为薄膜的光学带隙.经300、400、450和500 ℃退火后的样品,光学带隙分别为3.60、3.65、3.72和3.80 eV.光学带隙随退火温度的升高逐渐增大,这可能是由于温度升高导致结晶取向变得单一所致.2.4 电学特性SnO2薄膜的电流-电压特性如图6.从图6中可以看出,电流随电压的变化在正负方向几乎都是线性的,且电流随退火温度的升高而减小,这主要是由于结晶取向变得单一所致.经300、400、450和500 ℃退火后的样品电阻率分别为0.040、0.044、0.081和0.252 Ω·cm.研究了氧化温度对金属Sn薄膜制备SnO2薄膜的特性影响.采用真空热蒸发法在石英衬底上沉积了厚度为205 nm的金属Sn薄膜,然后在200~500 ℃条件下进行氧化处理.结构分析表明,随退火温度的升高,氧化产物由SnO变为SnO2,由立方晶系SnO2变为四方晶系SnO2,且结晶取向变得单一、稳定,晶粒尺寸明显增大.对光电特性进行分析后发现,薄膜在可见光范围内的吸收系数较高,光学带隙随氧化温度的升高逐渐增大,薄膜电阻率随氧化温度的升高有所降低.【相关文献】[1] 张谢群,余家国,赵修建,等.二氧化锡薄膜的制备和应用研究进展[J].化学试剂,2003,25(4):203-206.DOI:10.13822/ki.hxsj.2003.04.005. 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