气敏材料敏感机理研究进展
掺杂ZnO气敏特性的研究进展
ｖ Ｒ ｈｎ ｅ １用喷雾热分解法将 硝酸锌的水溶液喷雾沉积于玻璃基片上， ． Ｓ ｉｄ 等［］ Ｉ 高温分解制得了 Ｚ Ｏ薄 ｎ 膜 。并测试了以该 Ｚ Ｏ薄膜制作的传感器对液化石油气（ Ｐ ） ｎ Ｌ Ｇ 的敏感性 ， 实验结果表 明对 液化石油气（ Ｐ ） Ｌ Ｇ 的敏感 性 随着 工作 温度 的不 同而 不 同 。 ３ 元素 掺 杂对气 敏性 能 的影 响及 其 气敏 机理 虽然单一组分 ｚ Ｏ气敏材料的制备方法多种多样 ， ｎ 但往往纯 ｚ Ｏ气敏材料 的电阻较高， ｎ 使制作的器件存 在灵敏度较低 、 稳定性差、 响应速度慢等问题 ， 通常要进行适 当的掺杂和热处理来改善其性能。下面总结了各 种不同的掺杂元素及其对气敏性能的影响。 ３ １ 贵金 属 、 土元素 的掺 杂 ． 稀 贵金 属 的掺杂及 气敏 机理 研究 主要 集 中在 Ｐ 、 ｕ Ｐ 上 ， 了这 些 贵金属 之后 ， ｂ Ｒ 、ｔ 掺 通过 在表 面引 人具 有 催化 活性 中心的元素， 提高气体吸附作用及相应的反应速度 ， 有利于载流子的释放、 传输及注人输运过程 ， 从而改进 元件盼陛能。Ｎ Ｂ ｉｓ １用脉冲激光沉积法在 Ｓ Ｏ 衬底上通过控制改变参数 ， ． ｒｉ等［］ ｌ ２ ｎｚ 制备出了对 Ｈｚ 有很好气敏 性能的 Ｚ Ｏ薄膜 ， ｎ 工作温度在 １０ ８ ℃时对 Ｈ： 表现出最佳气敏性 。在相同条件下掺人贵金属 Ａ ｕ的 Ｚ Ｏ薄膜， ｎ 在工作温度为 １ ０ 时对 Ｈ 就表现 出最佳气敏性， ５口 Ｃ 。 可见贵金属 Ａ ｕ的掺杂使得工作温度降低了。这主要是 由 于有催化剂时气体在 ｚ Ｏ表面发生不均匀反应 ， ｎ 所需能量较低 ， 而无催化剂时发生均匀反应 ， 所需能量较高 ， 若保持反应速率不变 ， 则催化反应可在 比均匀反应更低的温度下实现 。如果 温度不变 ， 从均匀反应 到催化反 应 ， 活能的减少导致反应速率明显增大 。即掺杂后传感器对气体 的响应速度加快 ， 激 灵敏度增大 。而掺人 Ｐ ｔ 可提高对 乙烷 ， 丙烷， 异丁烷等含碳氢化合物的灵敏度 ， 而且灵敏度随气体分子 中含碳量增加而增加 ， 对于 Ｈ ｚ 及 Ｃ 灵敏 度却 不 大 ， 测 Ｃ 非常 困难 。而 掺 人 Ｐ Ｏ 检 Ｈ ｂ时 ， Ｃ 和 Ｈｚ 比较 敏 感 。 对 Ｏ 就 掺稀土元素主要有 Ｅ 、 ａＮ 、 ｂ等。这类元素 由于外 电子壳层未填满 ， ｒＬ 、 ｄ Ｙ 能加速电子转移反应的发生 ， 它 不仅可以提高元件的灵敏度 、 选择性 ， 而且可 以大大降低元件 的工作 温度 。如李健等［］ １研究 了用真空相沉积 。 法在玻璃沉底上制备掺土 Ｎ ｄ的 Ｚ Ｏ薄膜的气敏性 ， ｎ 实验给出， 经温度为 ５０ ， ０ 。 时间为 ４ ｍｉ Ｃ ５ ｎ的氧化 、 热处理 的掺 Ｎ ｄ的 Ｚ Ｏ薄膜的晶粒尺寸 、 ｎ 结构特性均发生变化。随掺 Ｎ 质量分数的增大 ， ｄ 薄膜的晶粒尺寸从 ５ｎ ３ｍ 减小至 ２ｎ ０ ｍ。经掺 Ｎ 质量分数为 ４ ９ ） ， ｄ（ ． ６ 后 纳米 ｚ Ｏ薄膜对乙醇的选择性和灵敏性均得到明显的改善 。 ｎ 在 １５ ０ ． ×１ｑ体积分数的乙醇气体 中最高灵敏度为 ３ ， ４相应 的薄膜工作温度为 ２ ０ 。 ０。 Ｃ ３ ２ ＡｌＳ 、 ｉ ． 、ｂ Ｂ 的掺 杂 掺 Ａｌ Ｚ Ｏ薄膜可用于检测 Ｈ 、 Ｏ、 的 ｎ ：Ｃ 乙醇。Ａ 掺杂的 Ｚ Ｏ薄膜气体传感器能在 ４０ ｌ ｎ ０￣ Ｃ的温度下工作 ， 对Ｃ Ｏ的灵敏度可达 ６． 。Ｊ Ｆ Ｃ ａｇ 】用磁控溅射法在玻璃和单晶硅上制备了掺铝 Ｚ Ｏ薄膜。并研 １６ ． ． ｈ ｎ 等［ ４ ｎ 究 了薄膜 厚度 对 Ｃ Ｏ气 敏性 的影 响 ， 实验 发现 当薄 膜 厚度增 加 的同时 纳米 晶粒也 增 大 ， 而导致 薄 膜 比表 面 积 从 减小 ， 气敏性能下降。当薄膜的厚度减小时气敏性增强 ， 而且随着 Ｃ Ｏ浓度的增加而增加 。但还与工作温度有 关 ， 验发 现 工作温 度 为 ４ ０ 实 ０ ℃时 ， 薄�
高纯二氧化硒的气敏性能研究
高纯二氧化硒的气敏性能研究摘要：高纯二氧化硒是一种重要的半导体材料，具有优异的气敏性能，广泛应用于气体传感器领域。
本文通过文献研究和实验探索，综合分析了高纯二氧化硒的气敏性能，包括其原理、影响因素以及应用前景。
研究发现，高纯二氧化硒的气敏性能受到多种因素的影响，如温度、湿度、光照等。
同时，高纯二氧化硒在环境监测、工况检测以及智能化控制等方面有着广阔的应用前景。
通过深入研究高纯二氧化硒的气敏性能，可以为气体传感器的发展提供理论和实验基础。
1. 引言高纯二氧化硒作为一种典型的半导体材料，具有灵敏度高、灵敏度范围宽、响应速度快等优点，在气体传感器领域得到了广泛的应用。
它的气敏性能受到多种因素的影响，如表面性质、成分杂质、温度等。
因此，对高纯二氧化硒的气敏性能进行深入研究，可以提高气体传感器的性能和准确性。
2. 高纯二氧化硒的气敏原理高纯二氧化硒的气敏性能基于其半导体特性。
当高纯二氧化硒暴露在气体环境中，气体分子会吸附在高纯二氧化硒表面，影响二氧化硒的电流传导性。
当吸附的气体分子发生化学反应时，会改变二氧化硒的电荷状态，从而改变了电阻值，进而实现对气体的测量。
3. 高纯二氧化硒气敏性能的影响因素3.1 温度温度是影响高纯二氧化硒气敏性能的重要因素之一。
一般来说，随着温度的升高，高纯二氧化硒的灵敏度会下降。
这是因为高温下气敏材料活性变差，气体吸附能力降低，导致灵敏度的降低。
湿度对高纯二氧化硒的气敏性能也有显著影响。
湿度增加会使高纯二氧化硒的灵敏度降低，原因是湿度会降低吸附层上气体分子与高纯二氧化硒之间的相互作用力。
3.3 光照光照对高纯二氧化硒的气敏性能同样产生影响。
实验研究表明，光照下高纯二氧化硒的灵敏度会增加。
这是因为光子能量的输入能激发电子在高纯二氧化硒中的跃迁，从而增加了电荷载流子的数量，提高了灵敏度。
4. 高纯二氧化硒气敏性能的应用前景高纯二氧化硒的气敏性能使其在环境监测、工况检测以及智能化控制等领域有着广泛的应用前景。
气敏材料的研究进展及展望
气敏材料的研究进展及展望作者：邱海波来源：《课程教育研究·上》2015年第08期【摘要】本文从气敏材料的概念出发，介绍了气敏材料的特点、气敏材料目前存在的主要问题，以及未来的发展前景。
【关键词】气敏材料 ;传感器 ;气敏陶瓷【基金项目】陕西省自然科学基金（2014JQ1022）;陕西省教育厅自然科学专项研究计划（11JK0555，14JK1676）;西安邮电大学青年教师基金项目（ZL2013-36），陕西省西安邮电大学教改项目（JGC201230）。
【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）08-0240-01一、引言在当下这个科技飞速发展的时代，人们日常生活中出现了诸多高科技新型材料，给人们的生活带来了翻天覆地的变化。
气敏材料便是其中之一。
由于气敏材料具有广泛的应用前景，引起了材料科学家的关注[1-3]气敏材料是一种新型的功能材料，当其接触特定的气体物质时，这些材料的物理或化学性质将发生较为显著的变化[3-7]。
利用这些变化，人们可以通过这类敏感材料来检测特定的气体成分。
气敏材料一般为多孔材料，使得气体极容易渗透，因此也可以用来制成测定氧分压的传感器。
近几年气敏材料在传感器上的广泛应用使人们逐步了解了气敏材料的相关特性以及发展前景[3]。
此外，与生物嗅觉相比，气敏材料的检测灵敏度非常高。
二、气敏材料的概述（一）气敏材料的定义气敏材料是一种新的功能材料。
不同类型的气敏材料会对某种或某几种气体十分敏感，表现出材料物理或化学属性的显著改变。
例如，有一类气敏材料的电阻阻值会随着气体的浓度呈现规律性的变化。
利用这种属性，将电阻的变化转化为电信号并放大，就可制成气敏传感器[2]。
目前此类传感器已在诸多领域投入使用。
现实中的气敏材料通常由多种组分组成，这是因为在研发该类材料的过程中，材料科学家通常会添加掺杂剂，改良其性能[8]。
（二）气敏材料的特点首先，气敏材料会与气体物质发生作用，将气敏材料放在不同的气体环境里面会有不同的特性。
气敏材料的制备及其气敏性能研究
气敏材料的制备及其气敏性能研究随着人类社会的发展，环境污染问题日益突显，如何对环境进行有效的监控和治理成为了亟待解决的问题。
其中，气体污染监测是环境监测的重要分支，而气敏材料的研究及其应用在气体污染监测方面具有重要意义。
气敏材料是一类能对某种气体或气体混合物产生敏感响应的材料，可以对气体浓度、组成等进行检测。
当前，气敏材料的种类繁多，主要包括半导体气敏材料、金属氧化物气敏材料、有机气敏材料等。
半导体气敏材料的制备通常采用溶胶-凝胶法、气相沉积法、离子束溅射法等多种方法，其中，溶胶-凝胶法由于操作简单、成本低廉、制备设备简单等优点，已成为半导体气敏材料制备的首选方法。
溶胶-凝胶法主要是将金属离子或有机物离子与适当的溶剂混合形成胶体，经过凝胶、热处理等工艺制备出气敏材料。
金属氧化物气敏材料的制备主要采用溶胶-凝胶法、物理气相沉积法、化学气相沉积法等方法。
与半导体气敏材料不同，金属氧化物气敏材料的制备通常需要高温煅烧，以提高晶体质量和敏感性。
有机气敏材料的制备主要采用溶剂聚合、原位合成、溶液法等方法，由于有机气敏材料的特殊结构以及溶液制备过程中易于控制，因此在制备过程中需要特别注意溶液粘度、聚合速率等因素。
此外，有机气敏材料的应用范围相对狭窄，多用于检测有机气体或挥发性有机化合物。
从制备过程来看，气敏材料的制备技术难度较大，需要一定的操作技能和实验经验。
另外，制备出来的气敏材料敏感性能也受到多种因素的影响，如晶体结构、纯度、晶界等。
因此，在实际应用中，需要针对具体的检测对象和检测要求进行优化和改进，以提高气敏材料的敏感性和选择性。
气敏材料的气敏性能是用来评价材料对目标气体响应的强弱及可靠性的重要指标之一。
气敏性能包括敏感度、选择性、响应时间、稳定性等指标。
其中，敏感度是评价材料检测目标气体浓度的能力，当目标气体浓度发生一定变化时，敏感度能够反映材料对浓度变化产生的响应。
选择性是评价材料检测目标气体和其他气体的区分能力，即材料对不同气体的响应差异程度。
过渡金属硫化物WS_(2)气敏性能及敏感机理研究
过渡金属硫化物WS_(2)气敏性能及敏感机理研究
丛丽颖;李清宇;杜海英;王敬;张钊睿
【期刊名称】《大连民族大学学报》
【年(卷),期】2024(26)1
【摘要】采用焙烧分解法合成了过渡金属硫化物WS_(2),对其形貌、结构和成分进行了表征分析,制备了WS_(2)气体传感器,研究了其对环境污染气体NO_(2)及多种干扰气体的气敏性能。
实验结果显示,相较于其他干扰气体,WS_(2)气体传感器对NO_(2)的响应灵敏度最高,具有良好的长期稳定性和气体选择性。
基于密度泛函理论计算了WS_(2)分子对NO_(2)及其干扰气体的吸附能、电荷差分、态密度等微观电子特性,分析了过渡金属硫化物WS_(2)对NO_(2)的吸附机理。
基于密度泛函理论的机理分析与实验结果相一致。
【总页数】7页(P36-42)
【作者】丛丽颖;李清宇;杜海英;王敬;张钊睿
【作者单位】大连民族大学机电工程学院;大连理工大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB381
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气敏材料的制备及其基本性质研究
气敏材料的制备及其基本性质研究近年来，气敏材料在环保、气体传感器、医学检测以及能源领域等方面受到了广泛的应用。
因此，气敏材料的制备及其基本性质研究显得尤为重要。
本文将探讨气敏材料的制备方法以及其基本性质。
一、气敏材料的制备方法1. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种常用的制备气敏材料的方法。
它的主要原理是用溶胶形成粉末，然后通过热处理等方式干燥成凝胶。
这种方法具有简单、可控性强等优点，被广泛应用于制备金属氧化物气敏材料。
2. 气相沉积法气相沉积法是一种将气体物质沉积在固体表面上形成薄膜的方法。
这种方法制备气敏材料具有薄膜形成快、均匀性好等优点。
但是，由于气相沉积法需要高温高压，仪器设备成本较高，因此在实际应用中应根据实际情况选择制备方法。
3. 燃烧法燃烧法是一种通过燃烧气敏材料前体制备气敏材料的方法。
此种方法在制备复杂气敏体系方面具有很大优势，能够制备出高活性气敏材料，并且能够控制气敏材料的形貌和结构，提高气敏材料的性能，因此受到广泛关注。
二、气敏材料的基本性质1. 感应机理气敏材料的感应机理主要是气体与固体表面发生作用产生的电学效应。
当气体与固体表面相接触时，由于晶面缺陷、空穴、孔隙等缺陷结构的存在，气体分子易于吸附在固体表面上。
因此，气敏材料的导电性能与气体环境的存在情况有密切关系。
2. 气体选择性气敏材料的气体选择性是指它对不同气体的敏感性不同。
例如，氧化铟、氧化钒等金属氧化物通常对氧气和一氧化碳具有高敏感性，而对其他气体敏感性相对较低。
因此，在实际应用中应根据气体选择性来选择气敏材料。
3. 响应时间响应时间是指气敏材料从暴露在气体环境中开始，到表面电阻发生显著变化的时间。
响应时间是衡量气敏材料敏感性的一个重要指标，同时也是影响气敏材料应用的一个重要因素。
通常情况下，响应时间越短，气敏材料的敏感性越高。
4. 稳定性气敏材料的稳定性是指其在长时间使用过程中失效的可能性。
稳定性是气敏材料评价的一个重要指标。
气敏材料的研究与应用
气敏材料的研究与应用在当今科技快速发展的时代，关于新材料开发的研究日渐受到人们的关注。
其中，气敏材料是一种新兴材料，其开发和应用正获得越来越多的关注。
本文将就气敏材料的研究与应用进行探讨。
一、气敏材料的定义及类型气敏材料指的是对气体的变化或者存在敏感和响应的材料。
其响应机制多种多样，可以通过改变材料表面电阻、电容、电感等电学性质来表示。
一般来说，气敏材料分为三种类型：1. 化学型气敏材料。
这种材料受到气体（如氨气、氧气、一氧化碳）的作用后，会发生化学反应，从而改变材料的性质。
2. 物理型气敏材料。
这种材料主要是本身结构改变，例如通过吸收气体使其体积变大或变小来改变其性质。
3. 电学型气敏材料。
这种材料的响应机制是通过改变其表面的电学性质来表示，例如通过改变电阻、电容等性质来响应气体的变化。
二、气敏材料的研究进展随着新材料的不断出现，气敏材料的研究也在不断深入。
近年来，国内外一些研究机构正在对气敏材料的结构、性质和应用方面进行着深入探讨，并取得了一系列进展。
（1）有机气敏材料有机气敏材料广泛应用于环境、生命科学、军事和移动设备等领域，例如甲醛、一氧化碳、二氧化氮等有害气体的检测。
近期有机气敏材料的研究集中于无机/有机异质结构，以及纳米结构、聚合物和纳米复合材料等方面的探索。
（2）无机气敏材料无机气敏材料作为其他类型气敏材料的基础，其性质稳定、选用宽、响应速度快并且具有优良的可靠性，逐渐成为了气敏材料研究的重要方向。
研究人员致力于开发新型的无机材料，以及在电化学方面的性质改进，包括氧化物、硒化物、氮化物等化合物所表现的性质等方面的研究。
（3）混合型气敏材料混合型气敏材料结合了不同类型气敏材料的特性，具有较好的综合性能。
一些研究人员关注于混合型气敏材料的制备、结构特点和特性，并进行了一些深入的探索。
三、气敏材料的应用前景气敏材料的应用范围非常广泛，从物联网、环境保护、医药到工业制造，几乎都有它的应用。
《2024年ZnO及ZnO-石墨烯复合材料气敏性能研究》范文
《ZnO及ZnO-石墨烯复合材料气敏性能研究》篇一ZnO及ZnO-石墨烯复合材料气敏性能研究一、引言随着科技的发展，气体传感器在环境监测、工业生产、医疗诊断等领域的应用越来越广泛。
其中，氧化锌（ZnO）作为一种重要的半导体材料，因其良好的气敏性能被广泛应用于气体传感器的制备。
而石墨烯作为一种新型的二维材料，其优异的导电性能和大的比表面积，使其在复合材料领域具有广阔的应用前景。
本文旨在研究ZnO及ZnO/石墨烯复合材料的气敏性能，为气体传感器的制备提供理论依据。
二、ZnO材料的气敏性能研究ZnO是一种宽禁带N型半导体材料，具有优异的光电性能和气敏性能。
在气敏传感器领域，ZnO常被用于制备敏感元件。
研究表明，ZnO的气敏性能主要来源于其表面吸附的气体分子与ZnO表面的电子之间的相互作用。
当气体分子吸附在ZnO表面时，会引起ZnO表面电导率的变化，从而实现气体检测。
在本研究中，我们通过溶胶-凝胶法合成了一系列不同粒径的ZnO纳米材料，并对其气敏性能进行了研究。
实验结果表明，随着粒径的减小，ZnO纳米材料的比表面积增大，表面吸附活性增强，从而提高了其气敏性能。
此外，我们还研究了不同温度下ZnO的气敏性能，发现随着温度的升高，气敏响应逐渐增强。
三、ZnO/石墨烯复合材料的气敏性能研究石墨烯具有优异的导电性能和大的比表面积，将其与ZnO复合可以进一步提高材料的气敏性能。
在本研究中，我们通过化学还原法将石墨烯与ZnO纳米材料复合，制备了ZnO/石墨烯复合材料。
实验结果表明，ZnO/石墨烯复合材料的气敏性能明显优于纯ZnO。
这主要归因于石墨烯的引入增大了材料的比表面积，提高了气体分子的吸附能力。
此外，石墨烯的导电性能与ZnO的半导体性能相互协同，进一步提高了气敏响应。
同时，我们还发现复合材料的气敏响应具有较好的选择性和稳定性。
四、结论本文研究了ZnO及ZnO/石墨烯复合材料的气敏性能。
实验结果表明，ZnO纳米材料的粒径越小，比表面积越大，气敏性能越强。
二氧化锡气敏元件制备及其气敏机理的研究
二氧化锡气敏元件制备及气敏机理研究中国科学院长春应用化学研究所１３００２２王岚何敬文刘雅言王秀艳丁金英殷文春曾雄辉摘要：介绍了以Ｓｎ０２为主，填加Ａ１２０３，ＭｇＯ，ｈａＯ，Ｐｄ等填料的常温ＣＯ气敏元件的制备方法．根据其晶体结构特点对气敏机理进行了探讨．论述了传感器的信息传感机制，即晶界势垒控制和晶粒大小控制机制同时存在．为获得性能良好的气敏元件，需要最佳的制各方法和最好的填料．关键词：二氧化锡气敏特性晶体结构吸附机理／＾引言ｓｎｏ＇是氧化物半导体敏感材料中应用最多，最广泛的一种，可用于光敏、气敏１和压敏传感器．因此倍受重视．本研究工作采用ＳｎＯ：为主材料，填加Ａ１２０：，Ｍｇｏ，ＩｎＯ，Ｐｄ等，制成气敏元件，利用其电阻值的变化，实现对ＣＯ气体的检测．ＳｎＯ：晶体是金红石结构，具有正方晶系对称，其晶胞为体心正交平行六面体，体心和顶角由锡离子占据．由于结构特点和化学配比决定了其性能特点．本工作采用掺入适量的Ｐｄ与Ｐｔ元素，获得在不需要高温清洗的情况下，达到在常温下检测低浓度ＣＯ气体的目地．并且此元件具有较好的选择性和稳定性．已获得在煤气报警上的应用效果．制各工艺常温ＣＯ气敏元件是将ＳｎＯ，和添加剂充分混合研磨后，用去离子水调成糊状，涂敷在预先烧制的Ｐｔ丝线圈上，制成微珠式元件．将元件在空气中于７５０℃烧结２ｈ，再将元件焊接在气敏座上，电老化４８ｈ，测试气敏特性．元件的测试是采用元件与取样电阻Ｒ（５０－ｄ００）串联后，施以６．ＯＶ直流电压．通过电阻两端的电压测量便反应出元件电导值的变化．颡９试采用电脑测试．实验结果与讨论通过测试获得元件的气敏性能，在５０－－－１０００ｐｐｍ的ＣＯ气氛中其电导值均呈现为等幅振荡波形，不同于加热型元件．在低浓度范围内其电导振荡幅度与ＣＯ浓度间为线性关系，以及对图Ｉ．在不同ＣＯ浓度中气敏元件的灵敏度曲线Ｆ．ｇ．１ＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙＣｕｒｖｅｏｆＳｎ０２ｓｅｎｓｏｒｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＣＯａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ１０５圈２．ｓｎ０２气敏元件的选择性Ｆｉｇ．２ＳｅｉｅｃｔｊｖｉｔｙｏｆＳｎＯ，￥ｃｒｋｓｏｒ由于选作气体传感器材料的ＳａＯ：是多晶结构，制备的元件在空气中，气敏元件电阻增加；在有还原性气体ＣＯ时，气敏元件的电阻降低而电导会明显增大：说明在Ｓｎｑ表面及晶粒处发生反应，即元件在空气中氧气靠电子亲和力俘获来自半导体材料中的电子，吸附在ＳｎＯ，表面，相应的在晶粒中出现电子耗尽现象，晶粒表面由于失去电子而带正电荷，氧吸附电子得到Ｏ：＋ｎｅ—Ｏ，．ｎ使Ｎ型半导体材料表面空间电荷层区域的传导电子减少，使表面电导降低，从而使器件处于高阻状态；而一旦器件接触还原性气体，ＳｎＯ，表面产生反应将释放出电子回到晶体中，Ｏ“｜ｄ＋Ｃ０一Ｃ０２＋ｎｅ，表面电导增加，电阻减少，使电子更易流动：如此原来的吸附气体与半导体材料之间的电子周期性交换，就完成了传感器的信息传递２．有人从量子化学计算结果３认为元件的吸附方式ＣＯ沿晶胞Ｃ’２轴吸附，并且ＣＯ与Ｐｄ—Ｓｎ０，的轨道作用为非键的，即Ｃ０－Ｓｎｏｚ的吸附为物理吸附，其吸附作用前后掺杂元素的挣电荷及轨道电荷分布看出Ｐｄ为富电子，其作用主要是通过５Ｓ和５Ｐ轨道为气敏的电子输运过程提供或接收载流子，即提供了电子的输运通道，。
气体传感器中的敏感材料的研究与应用
气体传感器中的敏感材料的研究与应用概述：气体传感器是一种能够检测气体浓度并输出相应信号的装置，广泛应用于环境监测、工业生产以及个人健康等领域。
而气体传感器的敏感材料则是其中的核心部分，负责对特定气体作出敏感响应。
敏感材料的研究与应用在气体传感器的发展中起着至关重要的作用。
第一部分：敏感材料的选择与特性在气体传感器中，敏感材料的选择是关键的一步。
不同的气体具有特定的性质和分子结构，因此需要选择合适的敏感材料来实现对目标气体的敏感响应。
常用的敏感材料有金属氧化物、半导体、有机材料等。
金属氧化物敏感材料具有高度的选择性和灵敏度，可以检测多种气体。
例如，二氧化锡被广泛应用于一氧化碳传感器中，而二氧化钛则常用于臭氧传感器。
这些材料在特定工作条件下，可以通过氧化还原反应与目标气体发生反应，从而改变电学性质，实现气体浓度的检测。
半导体敏感材料则常用于可燃气体的检测。
这类敏感材料的电阻随着目标气体的浓度变化而变化，通过测量电阻的变化可以获得气体的浓度信息。
例如，二氧化硅和三氧化二锑等材料在可燃气体存在下，会发生表面吸附反应，进而改变电子的输运性质，从而实现对可燃气体的检测。
有机材料作为敏感材料的优点在于其易于合成和制备，且具有较高的灵敏度和选择性。
例如，聚合物和有机薄膜在气体传感器中得到广泛应用。
这些材料可以通过吸附和扩散等方式，实现对特定气体的检测。
同时，有机材料还具有较快的响应速度和较低的功耗，适用于便携式传感器等小型设备。
第二部分：敏感材料的改性和优化为了提高气体传感器的性能和稳定性，研究人员常常对敏感材料进行改性和优化。
一方面，利用纳米技术等手段可以调控敏感材料的形貌和结构，从而提高其特异性和灵敏度。
例如，纳米结构的金属氧化物材料具有较大的比表面积和较短的扩散路径，能够实现更高的气敏响应。
另一方面，通过合成新型材料和掺杂技术等手段可以改进敏感材料的性能。
例如，掺杂金属或非金属元素可以调控敏感材料的电学和光学性质，提高其响应速度和选择性。
气体传感器中新型敏感材料的研究与发展
气体传感器中新型敏感材料的研究与发展随着科技的发展和人类对环境的关注度越来越高，气体传感器作为环境监测中重要的组成部分，也日益受到人们的重视。
气体传感器是一种可以检测空气中各种有害气体浓度的仪器，可以用于监测空气质量、检测化学品泄漏等领域，具有广泛的应用前景。
在气体传感器中，敏感材料是实现传感器功能的关键部分，它是通过与气体发生化学反应或物理作用而产生响应的材料。
目前在气体传感器中常用的敏感材料有金属氧化物、聚合物等，但是这些传统的敏感材料在应用中仍然存在一些问题，比如响应速度慢、灵敏度低等，因此需要研究新型敏感材料以提高传感器的性能。
一种新型的敏感材料是碳纳米管。
碳纳米管是一种具有纳米级尺寸的碳材料，其结构具有高表面积和极小的直径，能够为气体分子提供更多的吸附位点，并且碳纳米管可以根据吸附的气体种类和浓度发生电学响应，因此具有很好的传感特性。
近年来，研究人员已经通过各种方法制备了碳纳米管，并将其用于气体传感器中。
其中一种方法是一步热转化法，它是将金属有机化合物在800℃下高温热解，生成含有碳纳米管的碳材料。
这种方法简单快捷，制备的碳纳米管可以用于气体传感器中。
另一种方法是化学气相沉积法，它是将金属催化剂加热到高温使其裂解产生碳原子，通过碳原子在气相中的聚合形成碳纳米管。
这种方法可以制备高质量的碳纳米管，但需要复杂的实验条件。
除了碳纳米管，氮化硅和氮化铝等材料也可以作为气体传感器的敏感材料。
氮化硅和氮化铝都具有高硬度、高化学稳定性和高热稳定性的特点，可以用于检测高温、耐化学腐蚀和耐热等特殊环境的气体，具有很好的应用前景。
在敏感材料的研究中，还需要注意到敏感材料的选择和表面修饰。
选择合适的敏感材料可以提高传感器的响应速度和灵敏度；通过表面修饰可以改变敏感材料表面的性质，达到特定的传感目的。
例如，在气体传感器中，可以将有机分子修饰在敏感材料表面，使它具有特定的选择性，只对某些有害气体产生响应。
总之，随着对环境监测的需求不断增加，气体传感器的应用将会越来越广泛。
ITO气敏材料的制备和掺杂工艺的研究进展
ｔｖ ｃ ａ ｉｍ ｆＩ ｉｅｍｅｈ ｎｓ ｏ ＴＯ ｌ ｂ ｈ ｅ ｅｒ ｈｆ ｃ ｓ ａ ｄ ｔ ｅｍａｎｄｒｃｉｎ ｏ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｗｉ ｅｔ ｅｎ ｗ ｏｍ ｆ Ｔ０． ｗｉ ｅｔ ｅｒ ｓａ ｃ ｏ ｕ 。 ｎ ｈ ｉ ｉ ｔ ｆｄ ｖ ｌｐ ｎ ｌ ｂ ｈ ｅ ｆｒ ｏ ｌ ｅ ｏ ｌ Ｉ
膜形式出现。目前制作 Ｉ ０薄膜应用最广泛 的方法是磁控 Ｔ 溅射法 ， 其原理为［ ： ２ 将真空室抽至设定的真空度 ， ］ 充入适量
的氩气 ， 控溅 射 电极之 间施 加一 定 的 电压 ， 在磁 即产 生 辉 光
极高密度的烧结体ｌ。中南大学粉末冶金国家重点实验室 ＿ ６ ］ 的张树高等制得 了致密度大于 ９ 的超高致密度靶材＿。 ９ ７ ］ 但采用热等静压法成本较高， 生产周期较长［。 ８ ］
能提出了更高的要求。氧化铟锡（ Ｏ 是氧化铟掺氧化锡的 Ｉ ） Ｔ 复合材料（ 通常 ｍ（ 氧化铟）： （ 氧化锡 ） 一９： ） 因其具有 １， 灵敏度高、 结构简单 、 体积小、 质轻、 坚固耐用、 对有毒气体有
高阻抗、 输出信号大和成本低等优点而受到广泛关注。目前
虽然 有大 量的 Ｉ Ｏ气敏 材料投 入市场 ， 由于其 性能 需要 改 Ｔ 但 进， 且气 敏机 理 尚未 明确 ， 以人们 对其 研究热 情方兴未 艾 。 所
ＩＯ 气 敏材料 制备工艺 掺杂优化 气敏机理 掺杂机理 新形态 Ｔ
指 出今后 Ｉ Ｏ 气敏材料的 气敏机理将成为研 究重点 ， Ｔ 新形 态 Ｉ ＴＯ材料 的研发将成为主要发展方向 。
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｐｒ ｇ ｅ ｓ ｏ ｈｅ Ｐｒ ｐａ ａ ｉ ｎ ａ ｄ Ｄｏ ｉ ｃ ｎｏ ｏ ｙ ｓ ａ ｃ ｏ ｒ ｓ ｆ ｔ ｅ ｒ ｔｏ ｎ ｐ ｎｇ Ｔｅ ｈ ｌ ｇ
钙钛矿复合氧化物在气敏方面的研究进展
０ 引 言
随着人 们 环 保 意 识 的增 强 ， 制 环 境 中有 毒 、 控 有 害等 污染 气 体 的要 求 促 进 了气 体 传 感 器 和气 敏
动数 字式 智能传 感器将是 该领 域今后 的研 究方 向．
关键词 ： 钙钛 矿 ； 气敏 材料 ； 能传感 器 智
中 图分 类号 ：Ｐ １ ． Ｔ ２２ ２ 文献标 志码 ： Ａ
Ｔｈｅ ｐ ｏ ｒ ｓ ｆｐｅ ｏ ｓ ｉｅ ｃ ｍ ｐｏ ｉｅ ｏ ｉ ｎ ｇ ｓ ｓ ｎ ｉ ｒ ｇ ｅ ｓｏ ｒ ｖ ｋ ｔ ｏ ｓｔ ｘ ｄｅ ｉ ａ － ｅ ｓｎｇ
Ｖ０ ． ５ Ｎｏ ２ １２ ． Ａｐ ．２ ０ ｒ ０１
２１ ００年 ４月
文章 编 号 ：０ ４—１７ （０ ０ ０ ０ ３ ０ １０ ４ ８ ２ １ ） ２— ０ ８— ４
钙钛矿复合氧化物在气敏方面的研 究进展
赵 玛 ， 吴 占雷 ， 韩 周祥 ， 魏剑 英 ， 张茹
（ 州轻 工业 学院 河南省表 介面科 学 重点实 验 室， 南 郑州 ４ ００ ） 郑 河 ５０２
摘要 ： 综述 了近年来国内外钙钛矿型复合氧化物气敏材料在粉体、 薄膜方面的制备方法， 并对其气敏
机理进 行分 析 ， 为在制 备过 程 中 ｐ 值 、 火温 度等 因素是 影 响 材料 性 质 的主 要 因素 ， Ｂ 型 气 认 Ｈ 退 ＡＯ 敏 材料 Ａ位 、 及 贵金 属掺 杂 可改善其 材料 的 某些特 性 ． 出 ， 制 能够 同时监 测 多种 气体 的全 自 Ｂ位 指 研
WO3气敏传感材料及器件的研究进展
文章编号:1001-9731(2020)12-12065-07WO3气敏传感材料及器件的研究进展*曾吉阳,荣茜,邓细宇,邝鑫雅,字包叶,马艺文,柳清菊(云南大学材料与能源学院,国家光电子能源材料国际联合研究中心,云南省微纳材料与技术重点实验室,昆明650091)摘要:随着人类的发展与社会的进步,人们对身边的环境问题越来越重视,尤其是对有毒有害气体的检测,而金属氧化物气敏传感器就可以解决这一问题㊂金属氧化物半导体气体传感器由于小巧㊁成本低廉㊁使用便捷㊁响应迅速等特点而被广泛的研究与应用㊂三氧化钨(WO3)作为一种典型的n型半导体气敏材料,因其独特的气敏性能在检测各种有毒有害气体方面引起了广泛关注㊂传感材料的结构与形貌㊁暴露晶面㊁氧化物和贵金属的引入对改善材料的气敏性能起着关键性的作用㊂总结了近几年对一维,二维和三维WO3材料的合成㊁界面的调控和对其改性方法㊁气敏性能的研究及相关机理的分析,提出了目前基于WO3的气敏传感器研究过程中存在的问题,并对其未来发展趋势进行了展望㊂关键词:气敏传感器;三氧化钨;纳米结构;气敏性能中图分类号: X502文献标识码:A D O I:10.3969/j.i s s n.1001-9731.2020.12.0100引言随着现代工业的急速发展,天然气㊁煤炭和石油等资源的使用产生了大量的有毒有害气体,不仅对环境造成了巨大的污染,还严重威胁了人类的身体健康,这引起人们的关注[1]㊂而气敏传感器凭借能有效监测环境中的有毒有害气体成为了该领域的研究热点㊂气敏传感器主要分为半导体式㊁固体电解质㊁接触燃烧式㊁电化学式气敏传感器等几类;半导体式气敏传感器又可分为电阻式和非电阻式两大类,电阻式传感器中以金属氧化物半导体气敏传感器应用最广㊂金属氧化物气敏传感器由于具有高灵敏度㊁低成本㊁稳定性好等特点在工农业生产㊁军事工程㊁医疗卫生㊁环境保护和人类生活等领域有着广泛的应用㊂其中,传感材料是核心㊂通常,金属氧化物半导体传感材料主要分为n型半导体材料,例如Z n O[2]㊁T i O[3]2㊁WO[4-5]3㊁I n2O[6]3㊁S n O[7-8]2㊁F e2O3[9-10]等;p型半导体材料如C r2O[11-12]3㊁C o3O[13-14]4㊁M n3O[15]4㊁N i O[16]和C u O[17-18]等㊂WO3作为一种典型的n型半导体金属氧化物,因为独特的光致变色㊁光催化㊁气敏等特性,得到了广泛的研究和应用[19-20]㊂金属氧化物半导体传感器的工作原理是通过被吸附的目标气体分子与气敏材料表面的化学吸附氧之间的反应而引起器件电阻的变化㊂因此,传感材料的形貌和微观结构对传感器的气敏性能有直接影响㊂目前对气敏材料的形貌调控及其相关气敏性能的研究有大量报道㊂本文综述了WO3的合成及其在气敏材料中的应用,概述了WO3气体传感材料的结构和基本机理,重点介绍了水热法㊁溶胶-凝胶法㊁静电纺丝法㊁离子溅射法等方法对WO3从0D到3D纳米结构形貌控制的研究和进展,分析了提高气敏性能的改进方法,并归纳了WO3气体传感材料目前存在的问题,对其未来发展趋势进行了展望㊂1 WO3晶体结构以及气敏机理WO3的能带间隙在2.6~3.2e V之间,理想的WO3晶体是一种类似于钙钛矿(R e O3)的晶体结构,在不同的温度条件下,WO3的晶体结构会呈现不同的晶型,如三斜晶系-δWO3㊁正交WO3㊁四方结构WO3㊁六方WO3㊁单斜晶系α-WO3和γ-WO3[21]㊂金属氧化物半导体气敏传感器的工作原理涉及了表面界面㊁气体吸附㊁催化㊁缺陷理论等多个方面,至今还没有一个完全统一的理论模型㊂对于WO3,吸附-脱附模型是大多数人接受的气敏机理模型,当传感材料暴露在空气中时,氧分子被化学吸附在WO3表面上,从导带中吸引电子而产生电子耗尽层,在一定温度下,吸附的氧可以进一步演化成活性氧离子,例如O2-㊁O-和O[22]2-,与目标气体分子反应从而引起材料的电信号变化㊂同时也发现电荷载流子受目标气体的浓度影响,例如,还原反应可以发生在还原气体和这些氧物种之间,导致被捕获的电子释放,见图1㊂作为广泛使用的定义,传感器响应S被定义为空气中传感器电阻(R a)与目标气体中传感器电阻56021曾吉阳等:WO3气敏传感材料及器件的研究进展*基金项目:国家自然科学基金资助项目(51562038),云南省自然科学基金重点资助项目(2018F Y001-011)收到初稿日期:2020-07-01收到修改稿日期:2020-10-09通讯作者:柳清菊,E-m a i l:q j l i u@y n u.e d u.c n 作者简介:曾吉阳(1995 ),男,重庆荣昌人,在读硕士,师承柳清菊教授,从事气敏材料与器件的研究㊂(R g )的比值(R a /R g )㊂有时,响应S 被定义为相对电阻变化,即S =(R a -R g )/R g ㊂响应和恢复时间为传感器在吸附和解吸过程中完成总电阻变化的90%所需的时间㊂此外,其他参数如最佳工作温度(T )㊁选择性㊁检测极限㊁重复性和长期稳定性对于综合评估传感特性也很重要㊂图1 O 2和H 2S 分子在I n 2O 3@WO 3纳米层系结构界面的吸附和反应过程示意图[23]F i g 1As c h e m a t i cd e m o n s t r a t i o no f t h ea d s o r pt i o n a n d r e a c t i o n p r o c e s s o fO 2a n dH 2Sm o l e c u l e s a tt h ei n t e r f a c eo ft h e h i e r a r c h i c a lI n 2O 3@WO 3na n o s t r u c t u r e [23]由上述机理可知,金属氧化物气敏传感器的传感性能与其表面的氧空位有直接关系,形成氧空位越多,表面吸附氧物种越多,气敏性能越高㊂而晶面上原子的不同排列方式和悬挂键数量是不同晶面氧空位形成差异的关键㊂近年来,许多研究证实了在具有高能量暴露面的可控形貌显示出很好的传感性能㊂H a n [24]和他的同事报道过使用酒石酸来调节水热法合成的三羧酸WO 3纳米薄片中(001)㊁(100)和(010)的比例,研究表明暴露较多(010)面的样品对1-丁胺表现出更好的气敏特性㊂J i a 等[25]采用水热法合成暴露(100)和(002)晶面的WO 3纳米棒,结果表明,暴露(002)晶面的WO 3对丙酮的气敏性能比暴露(100)晶面的更好㊂T i a n 等[26]以末端为WO 的六角状WO 3的(001)面为基准,揭示了氧密度主导的气敏机理㊂研究发现,高氧密度有利于WO 3对CO 和H 2等还原气体的气敏性能㊂因此,晶面原子的不同排列方式对材料表面氧空位的形成产生影响,从而影响气敏性能㊂2 WO 3气敏传感器的研究进展2.1 零维结构WO 3气敏材料零维结构的材料主要为纳米球㊁纳米颗粒和量子点㊂关于WO 3纳米粒子气敏传感的报道并不是很多,虽然颗粒纳米化后的比表面积有所提高,但是不足的是纳米化后造成的大的界面阻碍了电子迁移,因此经常气敏性能不理想[27]㊂然而通过掺杂或者贵金属改性,可以提高其气敏性能㊂利用贵金属对WO 3进行改性,主要是利用贵金属的敏化及催化作用,敏化包括化学敏化和电子敏化㊂化学敏化主要是将氧分子解离成化学吸附氧,通过之前气敏机理分析可知,化学吸附氧数量的增加将会提高材料的气敏性能㊂电子敏化主要是让贵金属和金属氧化物之间形成肖特基接触,提高电子的移动速率,进而提高材料的气敏性能㊂催化则是催化分子氧的离解,以促进氧分子转化为WO 3表面上的活性氧物种㊂同时贵金属与WO 3表面发生相互作用,导致WO 3费米能级的变化,也有利于气敏性能的提高㊂L i 等[28]通过简单的水热合成法向WO 3纳米颗粒中掺杂入A u 原子,提高了WO 3纳米颗粒对二甲苯气体的响应,在225ħ的工作温度下有效检测浓度为5ˑ10-6,响应值为26.5,检测极限能到200p pb ㊂A u 的掺入催化分子氧的解离,使化学吸附氧的数量增加,并且可以降低二甲苯脱氢的活化能,使其更容易分解,导致更高的响应值㊂L i 等[29]采用了硫酸酸化N a 2WO 4制备了WO 3纳米粒子,并利用基于电子吸附机理的改性浸渍法对纳米粒子表面进行了R u 催化改性,得到了平均粒径为28n m 的R u 负载的WO 3纳米颗粒,对人体呼出气体中的丙酮进行检测,在300ħ下检测到1.5ˑ10-6浓度的丙酮气体,响应值为6.8,是纯的WO 3纳米颗粒的5倍,气敏性能得到了显著提高,这是由于R u 负载在WO 3表面是氧化态,产生电子敏化效应,提高电子转移速率㊂2.2 一维结构WO 3气敏材料在各种WO 3纳米结构中,一维WO 3结构例如纳米棒㊁空纳米管㊁多孔纳米线和纳米纤维因具有较高的比表面积,同时保持良好的化学和热稳定性,这使其电学性质对表面化学吸附非常敏感,使得有效面积和活性位点比其他结构高,已被证明可有效提高气敏性能㊂Q i n 等[30]通过溶剂热法合成了具有准取向的W 18O 49纳米线,在450ħ的退火温度下所得到的产物结构高度疏松,交联孔使气体的扩散更加容易,制成的气敏传感器对N O 2气体展现出高的灵敏度和较快的响应速度㊂单纯的WO 3无法满足较高的气敏要求,通过掺杂其他金属氧化物构建半导体异质结可以有效提高材料的气敏性能㊂WO 3为n 型半导体,通过掺杂p 型半导体或者n 型半导体,可以构成p -n 异质结[31]或者n -n异质结[32],促进电子迁移,提高气敏性能㊂S e u n g b o k C h o i 等[33]通过在氧化气氛中热蒸发WO 3粉末,合成了由C r 2O 3纳米颗粒修饰的一维WO 3纳米棒,形成了C r 2O 3-WO 3的p -n 结,对2ˑ10-4乙醇气体的响应值为5.58,是纯的WO 3纳米棒的4.4倍,C r 2O 3进入WO 3的晶格中,形成晶格缺陷,增加乙醇气体的附着点,导致气敏性能的提高㊂Q i n 等[34]通过诱导溅射法制备了一种高度有序排列的C u O -WO 3核壳结构的纳米棒状材料,使工作温度降至室温,并且对N O 2有着660212020年第12期(51)卷良好的响应与选择性,这些结果与核-壳界面异质结势垒和导电载流子积累通道的独特排列有关如图2所示㊂F e n g等[35]则采用P t@M I L-101和静电纺丝技术设计了P t-C r2O3-W O3复合纳米纤维,P t纳米颗粒的尺寸为3n m,对二甲苯表现出优异的响应,对5ˑ10-6二甲苯的响应值为75.3㊂增强的气敏性能归因于C r2O3-W O3异质结㊁C r2O3的催化活性㊁多孔结构㊁P t纳米粒子的电子和化学敏化㊂多孔纳米棒和纳米管等分级结构在气敏领域的应用也受到了广泛关注㊂W o n-T a e K o o等[36]采用逐层自组装的方法,在聚合纳米纤维模板上采用静电纺丝方法制备了多孔W O3纳米管,在高湿度(90%)的环境下,纯的WO3纳米管对5ˑ10-6N O的响应值为63.59,这是因为高湿度大气中的水分子分解成羟基,并将电子传递给W O3㊂D i n g等[37]则以棉纤维作为模板,通过简单的渗透和煅烧工艺合成了新型掺杂碳的W O3微管,碳的引入将W O3的带隙从2.45e V降到了2.12e V,W O3纳米管是由约40n m的纳米粒子组成,其内部存在大量的中空和大孔,使其拥有更大的比表面积,在90ħ的工作温度下对0.5ˑ10-6的甲苯响应值为40,检测极限为50p p b㊂S u n g h o o nP a r k等[38]则使用热蒸发技术合成了W O3纳米棒,并用离子溅射方法在W O3纳米棒表面负载了P t颗粒,P t颗粒负载使含氧物质的溢出㊁气体化学吸附和解离增强,改善了W O3纳米材料对C O和N O2气体的响应㊂图2 W18O49/C u O核壳纳米棒阵列气敏机理示意图:(a)N O2吸附示意图;(b)能带平衡前图;(c)能带平衡后图[34]F i g2S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no f t h e g a s-s e n s i n g m e c h a n i s mf o r t h eW18O49/C u Oc o r e-s h e l l n a n o r o d s a r r a y:(a)N O2a d s o r p t i o nd i a g r a m;(b,c)e n g e r y b a n dd i a g r a m so f t h e W18O49/C u Oc o r e-s h e l l n a n o r o d sb e f o r ea n d a f t e r e q u i l ib r i u m[34]2.3二维结构WO3气敏材料典型的二维WO3结构如薄膜㊁纳米片或纳米板,由于其高的比表面积㊁表面活性㊁表面极化和丰富的氧空位等而使其具有良好的气敏性能㊂S.S.S h e n d a g e 等[39]使用水热法合成了WO3薄膜材料,薄膜厚为90 ~150n m,在100ħ的工作温度下,对5ˑ10-6的N O2气体的响应为10㊂A b d e l h a m i dB o u d i b a等[40]使用水热法在180ħ的环境下反应48h合成WO3纳米板,在200~300ħ的工作温度与高湿度(50%)的环境下对S O2气体有着良好的响应,最低检测浓度为1ˑ10-6㊂T a n等[41]在陶瓷衬底上采用电子束蒸发沉积WO3薄膜,然后通过原子层沉积(A L D)在WO3薄膜表面沉积R h纳米颗粒㊂当R h的A L D沉积周期为20时,样品表现出最好的选择性,与纯的WO3相比,选择性提高了约110%,在350ħ的工作温度下,对5ˑ10-6的C H4有着63.1的响应值,且最低检测浓度为0.1ˑ10-6,这可能是由于R h纳米粒子的表面催化作用㊂T a r oU e d a等[5]通过硝酸酸化钨酸钠制备WO3薄膜,再将R u掺入WO3中,R u的加入不仅使WO3对甲硫醇的最佳工作温度从175ħ降至125ħ,还提高了其对甲硫醇的催化活性,可以将甲硫醇降解为C O2,S O2和H2O㊂L i等[23]在WO3纳米片表面进行插入和拓扑化学转化,通过微波辅助在WO3纳米片上合成了分级I n2O3纳米复合材料(I n2O3@WO3),尺寸范围为12~20n m的I n2O3纳米粒子均匀固定在WO3纳米片的表面上,I n2O3@WO3样品在150ħ下对1ˑ10-576021曾吉阳等:WO3气敏传感材料及器件的研究进展H2S的响应高达143,是WO3纳米片的4倍,是纯I n2O3纳米晶体的13倍㊂石墨烯是一种新型二维材料,它由碳原子以s p2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格,自发现以来,因其优异的力学㊁电学㊁光学等特性,在众多科研领域得到应用㊂石墨烯具有热稳定性好㊁比表面大的特点,表面丰富的缺陷以及官能团可提供大量的化学活性位点,此外,较大的比表面积有利于WO3等其他传感材料分布均匀,通过协调效应增强传感性能㊂石墨烯与WO3复合,可以有效提高WO3的气敏性能㊂N o v i k o v等[42]合成了基于外延石墨烯的气体传感器并对其进行了优化,并通过进一步的退火显著改善了气敏性能,对N O2气体的响应比未退火石墨烯传感器的响应值高十倍,并且检测下限为0.6p p b㊂性能的提高是由于制备的氧化石墨烯-WO3复合纳米纤维具有特殊的多孔结构,并且氧化石墨烯纳米片与WO3纳米颗粒之间形成欧姆接触,有效改善了材料的比表面积和气体吸附能力㊂近些年石墨氮化碳(g-C3N4)因其优异的性能以及大的比表面积,吸引了众多关注㊂S.V i j a y a k u m a r 等[43]采用微波辐射制备了WO3-石墨氮化碳复合材料,WO3纳米颗粒分散于g-C3N4表面,制备成聚甲基丙烯酸甲酯光纤包层的光纤气体传感器,对乙醇有较好的选择性和灵敏度㊂2.4三维结构WO3气敏材料三维WO3是由纳米粒子㊁纳米片形成分级结构,典型的形状有微球㊁纳米花状㊁海胆状结构㊁介孔结构等不规则结构㊂由于独特的形貌结构,因此具有较大的比表面积㊁丰富的孔隙率,使其对各种气体有较高的气敏性能㊂因此,与其他维度的WO3传感材料相比, 3D分级多孔结构被认为是更有发展潜力的气体传感材料㊂W a n g等[44]通过钨酸钠酸化方法合成了由多个不规则的纳米片组成的纳米花状结构,由这些层片结构组成的传感器在90ħ条件下检测N O2气体,气体浓度为2p p b时,灵敏度达到12.8㊂J i e等[45]通过溶胶凝胶法地制备了石墨烯包覆的WO3纳米球状结构,通过测试气敏性能发现,G R包裹的WO3纳米微球复合材料表现出p型气体敏感行为,并且G R-WO3传感器对N O2气体的响应在室温条件下,随着气体浓度的增加而线性增加㊂Z h a o等[46]合成了大孔径(13n m)㊁高比表面积(128m2/g)的具有面心立方(F C C)有序介孔结构的WO3/P t纳米复合材料,如图3所示㊂尺寸为4n m的铂纳米颗粒均匀分布在孔中,通过化学和电子手段使WO3基质敏化以用于C O检测㊂图3 P E O-b-P S模板合成有序中孔WO3/P t过程[46]F i g3T h e s y n t h e s i s p r o c e s s o f o r d e r e dm e s o p o r o u sWO3/P tw i t hP E O-b-P S t e m p l a t e[46]模板法是利用已有的内在特征来调控所需纳米材料的形貌㊂根据模板的类型,可以得到空心球㊁空心六棱柱和介孔等不同形貌的WO3㊂碳球作为模板被广泛用于制备高质量的WO3空心球气敏材料,根据模板的形成分为两步法[47]和一步法[48]㊂此外,有团队还利用莲花花粉等生物模板制备了具有高孔双壳结构的WO3微球,完美地继承了模板的结构特征㊂在200ħ条件下,WO3微球对1ˑ10-4N O的灵敏度为46.2,响应和恢复时间分别为62和223s[49]㊂W u等[50]使用硅基作为硬模板合成了介孔P d负载的氢气传感器㊂P d的加入提高了WO3对H2的响应值和缩短了响应与恢复时间㊂Z h u等[51]合成了一种WO3-Z n O中空纳米球状的混合物,由42n m的颗粒组合而成,对丙酮气体有良好的选择性和响应值㊂柔性气体传感因在可穿戴和便携式电子产品㊁射频识别标签和监测易腐货物的智能包装中的潜在应用,引起了科学界的高度兴趣[52]㊂而聚吡咯(P P y)㊁聚苯胺(P A N I)和聚噻吩(P T h)等导电聚合物具有优异电学和力学性能㊂WO3通常与导电聚合物复合制备传感膜,在柔性器件和室温检测方面具有突出优势㊂860212020年第12期(51)卷H u a n g等[53]在柔性基板上使用电子印刷技术制备了WO3-P E D O T/P P SN O2气体传感器,与纯WO3传感器相比,传感性能的增强得益于P E D O T:P S S提供的导电通道㊁WO3-P E D O T:P S S界面上的形成的异质结㊂L i等[54]采用简易的原位化学氧化聚合方法合成了花状WO3纳米复合材料,并将其负载在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(P A N I)基底上,制备了室温下工作的N H3传感器,与纯聚苯胺有机气敏传感器相比较,对N H3的响应值高6倍㊂H e等[31]通过两步水热合成法制作了表面由C u O修饰的WO3纳米花状的气敏传感器,在80ħ的工作温度下对H2S有着良好的响应㊂S u n等[55]在柔性P E T衬底上制备了用于智能三乙胺(T E A)传感器的P P y@WO3杂化物,在室温下对T E A具有高的灵敏度㊁良好的选择性,归因于WO3和P P y间的互补效应和界面形成了p-n异质结㊂3结语重点介绍了WO3气敏传感材料的研究现状及进展,综述了不同维度㊁不同尺寸㊁不同形貌的WO3气敏传感材料,以及贵金属和氧化物对其界面的修饰和改性㊂零维WO3纳米材料的比表面积与活性位点相对其他维度的更低,制备过程中更容易团聚,使颗粒粗化;一维WO3如纳米线㊁纳米棒等则具有较高的比表面积,使得有效面积和有效活性位点比其他结构高,使得有效活性位点比其他结构高,同时保持良好的化学和热稳定性,使其电学性质对表面化学吸附非常敏感;二维WO3如纳米片㊁纳米薄膜等则拥有可调制的表面活性㊁表面极化和富氧空位等特性,能够提供更多的吸附位点;三维WO3具有高的孔隙率,各种独特的形貌,如核-壳结构㊁介孔分级结构等,为氧离子和吸附气体能够提供更多的通道与孔洞㊂虽然WO3气敏材料性能的研究取得了一定的成果,但是还存在以下不足:对目标气体的选择性㊁灵敏度㊁稳定性不理想;工作温度一般在25~400ħ之间,高的工作温度既不利于传感器的长期稳定性,也增加了使用能耗㊂由于这些不足,影响了WO3气敏传感材料的发展,后续研发重点及发展趋势如下:(1)进一步从材料结构㊁能带结构㊁导电性能等方面对WO3气敏传感材料进行调控,有效降低工作温度,提高对目标气体的灵敏度和选择性㊂(2)抗湿性是目前WO3气敏传感材料在实际应用中的首要工作,高湿度环境下的气敏检测越发的重要,研制出能在潮湿的环境下具有高灵敏度㊁高选择性和高稳定性的WO3材料是一个重要的方向㊂(3)WO3气敏传感材料气敏性能变化的原因还需要从微观角度进一步分析㊂在对实验结果进行合理解释的基础上,依据材料固有性质及特殊的表面性质建立物理模型,深入分析并阐明其气敏机理㊂参考文献:[1] Z h a n g J,L i uX H,N e r i G,e t a l.N a n o s t r u c t u r e dm a t e r i-a l s f o r r o o m-t e m p e r a t u r e g a s s e n s o r s[J].A d v a n c e d M a-t e r i a l s,2016,28(5):795-831.[2] B h a t iVS,H o j a m b e r d i e v M,K u m a rM.E n h a n c e ds e n 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e n s i n g ma t e r i a l s a n dd e v i c e s Z E N GJ i y a n g ,R O N G Q i a n ,D E N G X i y u ,K U A N G X i n y a ,Z IB a o y e ,MA Y i w e n ,L I U Q i n g ju (N a t i o n a l C e n t e r f o r I n t e r n a t i o n a lR e s e a r c ho nP h o t o e l e c t r i c a n dE n e r g y M a t e r i a l sY u n n a nK e yL a b o r a t o r y o fM i c r o -n a n oM a t e r i a l s a n dT e c h n o l o g y ,S c h o o l o fM a t e r i a l s a n dE n e r g y ,Y u n n a nU n i v e r s i t y,K u n m i n g 650091,C h i n a )A b s t r a c t :W i t h t h ed e v e l o p m e n t o f h u m a nb e i n g s a n d t h e p r o g r e s s o f s o c i e t y ,p e o p l e p a y mo r e a n dm o r e a t t e n -t i o n t o t h e e n v i r o n m e n t a l p r o b l e m s ,e s p e c i a l l y t h e d e t e c t i o n o f t o x i c a n d h a r m f u l g a s e s .M e t a l o x i d e g a s s e n s o r s c a n s o l v e t h i s p r o b l e m.M e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r g a s s e n s o r h a s b e e nw 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材料的气敏性能研究
材料的气敏性能研究随着科技的不断发展，气体检测和传感技术在各个领域中扮演着越来越重要的角色。
而材料的气敏性能就是其中一个关键的研究方向。
本文将探讨材料的气敏性能研究及其应用前景。
一、什么是气敏性能材料的气敏性能是指材料对气体分子的感应和响应特性。
气敏材料通常能够与气体分子发生特定的相互作用，从而导致电阻、电容、电感等物理量发生变化，进而实现对气体的检测和传感。
具有较强气敏性能的材料在环境监测、工业控制、生物医学、能源等领域有着广泛的应用。
二、气敏性能的研究方法1. 实验方法气敏性能的研究通常需要通过实验方法来获取数据。
常用的方法包括电学测量、热学测量、光学测量等。
例如，通过在气敏材料上加电，测量电阻的变化，可以获得材料对气体的响应情况。
通过控制温度，测量热敏电阻的变化，可以研究材料对不同温度下气体的敏感性。
这些实验方法可以提供基础数据，为进一步的研究和应用奠定基础。
2. 理论模拟除了实验方法，理论模拟也是研究材料气敏性能的重要手段。
通过建立合适的数学模型，可以预测材料对不同气体的响应行为，并解释实验数据的变化趋势。
理论模拟可以帮助研究者更好地理解气敏性能的原理，为材料设计和优化提供指导。
三、气敏材料的研究进展1. 传统气敏材料传统气敏材料主要包括金属氧化物、半导体等。
以金属氧化物为例，如二氧化锡、氧化锌等，这些材料具有良好的气敏性能，对多种气体有着较强的响应能力。
然而，传统气敏材料往往存在响应速度慢、抗干扰性差等不足之处，限制了其应用范围。
2. 新型气敏材料近年来，随着纳米技术的进步和材料科学的发展，新型气敏材料不断涌现。
例如，基于碳纳米管、石墨烯等二维材料的气敏材料，具有较高的比表面积和导电性，可以实现更灵敏的气体检测。
此外，功能化金属有机框架、共价有机框架等新型材料也被广泛应用于气敏传感领域。
这些新型气敏材料具有响应速度快、选择性好、抗干扰性强等优点，被认为是未来气体传感技术的重要发展方向。
金属氧化物半导体纳米气敏材料研究进展
金属氧化物半导体纳米气敏材料研究进展近年来，金属氧化物半导体纳米气敏材料的研究受到了广泛关注。
金属氧化物半导体具有许多优点，如良好的化学稳定性、可调控的电子结构和高表面积等，使其成为理想的气敏材料。
本文将综述金属氧化物半导体纳米气敏材料的研究进展。
首先，金属氧化物半导体纳米气敏材料的合成方法包括溶剂热法、水热法、燃烧法、热分解法等。
这些方法能够制备出具有不同形貌和尺寸的纳米材料。
此外，还可以通过控制合成条件来调控金属氧化物半导体纳米材料的晶相组成和结构性能。
其次，金属氧化物半导体纳米气敏材料的气敏性能的研究也取得了显著进展。
金属氧化物半导体纳米材料对不同气体的敏感性和选择性都具有很高的潜力。
例如，二氧化钛纳米材料在氧化杂环境下对一氧化碳等还原性气体具有高灵敏度。
氧化锌纳米材料在硫化氢等硫化气体环境下表现出很好的选择性和稳定性。
此外，利用复合材料的特性可以进一步提高金属氧化物半导体纳米气敏材料的灵敏度和选择性。
第三，金属氧化物半导体纳米气敏材料的机理研究也是研究的重点之一、目前，主要的机理包括电子传导机制、表面离子化机制、化学吸附机制等。
通过研究这些机理，可以深入了解金属氧化物半导体纳米材料的气敏性能，并进一步优化材料的性能。
此外，金属氧化物半导体纳米气敏材料在传感领域的应用也得到了广泛关注。
这些材料可以应用于环境监测、食品安全、医疗诊断等领域。
此外，金属氧化物半导体纳米材料还可以与其他功能材料结合，构建复合材料，以实现更高的灵敏度和选择性。
综上所述，金属氧化物半导体纳米气敏材料作为一种新型的气敏材料，具有很高的应用前景。
未来的研究可以进一步深入研究金属氧化物半导体纳米材料的合成方法、气敏性能和机理，以及其在传感领域的应用。
通过不断地改进和优化，金属氧化物半导体纳米气敏材料有望在环境保护和生命科学领域发挥重要作用。
我国金属氧化物半导体气敏材料的研究与应用
我国金属氧化物半导体气敏材料的研究与应用随着社会工业化的发展，各种污染物随处可见，如何有效地检测和净化这些污染物已成为当今社会亟需解决的问题。
而金属氧化物半导体气敏材料是一种具有极大潜力的检测材料，其在环境监测、智能制造、消费电子、医疗器械等领域都有着广泛的应用。
我国金属氧化物半导体气敏材料的发展历程早在20世纪60年代，中国就开始研究金属氧化物半导体气敏材料，而以氧化锌为代表的氧化物气敏材料更是国内外关注的热点。
进入80年代，我国正式开始推进气敏材料的研究与发展，逐渐形成了以氧化物半导体为主的气敏材料研究领域。
目前，我国金属氧化物半导体气敏材料的研究已经取得了一系列的成果。
研究领域我国在金属氧化物半导体气敏材料的研究领域主要集中在氧化物半导体材料的合成方法、基本性质、敏感特性、检敏机理等方面。
同时，也有不少学者对于氧化物半导体材料进行表征及在催化、电化学等领域中的应用研究。
合成方法方面，目前主要主要采用化学沉积、溶胶-凝胶、水热法、物理气相沉积等许多方法，以得到具有不同晶体结构和形貌的氧化物半导体材料。
不同的合成方法对材料的结构和性能都有着较大的影响。
因此，在选型时需要综合考虑他们的合成过程、材料性能及成本等方面的因素。
基本性质方面，固相法制备的氧化物半导体材料在吸收紫外光时产生电子空穴对，形成适当的空穴浓度和导电性。
同时，氧化物材料中氧原子的空位能够额外捕获电荷并减小了特征电子的活力，从而使材料中电极化率增加，最终影响材料的敏感性能。
研究进展和应用随着人们对环保、健康意识的不断提高，金属氧化物半导体气敏材料已经被广泛应用在油气检测、环境检测、食品检测、药品检测等领域。
比如，气敏传感器可以通过对重金属离子、有机化合物、氨、一氧化碳、有害气体等多种污染物的检测，保护我们生命和环境安全。
同时，金属氧化物半导体气敏材料在车联网、智能家居方面，比如智能空调、智能洗衣机等家电产品中也有广泛的应用，可以达到更加舒适、安全的生活方式。
新型气敏材料的制备及性能测试研究
新型气敏材料的制备及性能测试研究1. 介绍新型气敏材料研究背景气敏材料是一种可以感应并响应气体环境变化的材料，具有在环境监测、安全防范、生物医学、工业生产、电子器件等领域中广泛应用的潜力。
目前，已有气敏材料的研究种类和数量都相当丰富，但随着国家经济的发展和对环境质量的追求，对气体污染及其他环境问题的需求越来越迫切。
因此，需要寻找更为敏锐、稳定、高效的气敏材料，以满足当今社会对于绿色环保的要求。
为此，本文将对新型气敏材料的制备及性能测试研究进行探讨。
2. 新型气敏材料的制备在气敏材料的制备中，可以采用化学合成法、物理合成法和生物合成法等不同方法，根据不同方法的选择，可以有效的调控气敏材料的结构、形态和性质等。
下面，我们将以化学合成法为例，介绍新型气敏材料的制备过程。
（1）选择材料新型气敏材料的选择应该基于其感敏度、稳定性和重复性等方面的需求。
例如，金属氧化物、聚合物、金属有机框架材料等均为气敏材料的研究热点。
（2）制备方法化学合成法是一种最常用的方法之一。
在此方法中，主要是通过化学反应机制来形成新型气敏材料。
例如，一些涉及到气相转化、水相沉淀和溶胶凝胶法等方法都很常见。
（3）控制合成条件在新型气敏材料的制备过程中，必须控制反应物的浓度、摩尔比例、反应时间和反应温度等参数。
这些参数对材料的形态和性质等起着重要的影响。
3. 新型气敏材料的性能测试所谓气敏材料的性能，通常包括以下几个方面：选择性、灵敏度、响应时间和稳定性等。
本文将通过介绍新型气敏材料的性能测试方法来具体讨论各项性能。
（1）选择性选择性主要是指材料反应所需要的气体是单种或多种，二氧化碳自然会占据一定的优势。
目前市售的气敏元件中，尤其是对于空气质量监测的元件，选择性其实都比较高，但实际使用中用户需要注意确定气体成分与材料对应关系。
（2）灵敏度灵敏度是用来判断材料对气体的响应程度的指标，包括气敏元件的灵敏度、响应电压以及输出电流等方面。
常见的方法有定量分析法、质量分析法、微型传感器等。
气敏材料论文
ZnO气敏陶瓷摘要自从1962年清山哲郎对ZnO半导体陶瓷的气敏特性进行开发研究以来,人们对气敏陶瓷进行了广泛的研究。
目前,气敏陶瓷传感器已广泛应用于城市煤气及LPG的检测。
掺加少量催化剂可以改善气敏陶瓷的灵敏度和选择性。
本文从气敏陶瓷在实际生产生活中的重要应用价值出发,介绍了气敏陶瓷的工作原理制备方法,列举了典型气敏陶瓷的工作情况及其原理,并探讨气敏半导体陶瓷材料存在的问题和发展方向。
关键词：电阻率，灵敏度，气敏陶瓷，传感器，机理ZnO gas sensitive ceramicsAbstractSince 1962 the seiyama Tetsuro on ZnO ceramic semiconductor gas s-ensitive proper ties of the development of research, people on the gas sensitive ceramicswere studied ext ensive-ly. At present, gas sensitive ceramic sensor has been widely appli-ed in city gas a nd LPG detection.A-dding a small amount of catalyst can improve the s-ensitivity and se lectivity of gas sensitive ceramics.This article from the gas sensitive cer-amics in the act ual production of life the important application value, introduces the wor-king principle o f gas sensitive ceramic preparation method, some typical gas sensitive ce-ramics and its principle of work, and explore the gas sensitive semiconductor ceramic m-aterial existenc e problems and development direction.Key words: resistivity, sensitivity, gas sensitive ceramics, sensor, mechanism目录第1章气敏陶瓷 (5)1.1气敏陶瓷的定义 (5)1.2气敏陶瓷的分类 (5)1.3气敏陶瓷的工作原理 (5)1.4气敏陶瓷的特点 (5)1.5气敏陶瓷的应用及发展 (6)第2章氧化锌气敏陶瓷 (6)2.1Z N O气敏陶瓷的功能及用途 (6)2.2Z N O气敏陶瓷的制备 (7)2.3Z N O系气敏元件的结构及制造工 (7)2.4Z N O气敏元件的特性 (8)2.5Z N O的敏感机理 (8)2.6存在的问题及发展方向 (9)参考文献 (9)第1章气敏陶瓷1.1 气敏陶瓷的定义吸收某种气体后电阻率发生变化的一种功能陶瓷成为气敏陶瓷。
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摘要：为研究气敏材料的敏感机理，获得提高材料气敏性能、开发新型气敏材料的理论指导，介绍了气敏材料的概念、分类，并从气体与敏感材料的物理、化学等相互作用出发，结合气敏材料电学性质的变化，对其敏感机理及模型进行了较为详细的阐述，指出气敏机理研究对于解决气敏材料选择性、稳定性差以及工作温度高等现存问题有着重要的意义。
关键词：气敏材料；气敏机理；模型中图分类号：ＴＰ２１２．２文献标识码：Ａ文章编号：１００８－５５４８（２００７）０４－００４２－０４ＲｅｓｅａｒｃｈＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＳｅｎｓｉｔｉｖｅＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＧａｓＳｅｎｓｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓＬＩＵＨａｉ－ｆｅｎｇ，ＰＥＮＧＴｏｎｇ－ｊｉａｎｇ，ＳＵＮＨｏｎｇ－ｊｕａｎ，ＭＡＧｕｏ－ｈｕａ，ＤＵＡＮＴａｏ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｅｒａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ６２１０１０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｇａｓｓｅｎｓｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｉｍｐｒｏｖｅｉｔｓｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｎｅｗｇａｓｓｅｎｓｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎａｎｄｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｇａｓｓｅｎｓｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓａｎｄｍｏｄｅｌｓｏｆｇａｓｓｅｎｓｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓｗｅｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｃｈａｎｇｅｏｆｓｅｎｓｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓｃａｕｓｅｄｂｙａｃｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｇａｓｅｓａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｉｔｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｈａｔｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｇａｓｓｅｎｓｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｉｍｐｒｏｖｅｉｔｓｕｎｓｔａｂｌｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｈｉｇｈｗｏｒｋｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇａｓｓｅｎｓｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｍｏｄｅｌ气敏材料是一种对某种环境中某种气体十分敏感的材料，一般都是某种类型的金属氧化物，通过掺杂或非化学计量比的改变而使其半导化，其电阻随其所处环境的气氛而变。
不同类型的气敏材料，对某一种或几种气体特别敏感，其阻值将随该种气体的浓度（分压）有规律地变化，其检测灵敏度为百万分之一的量级，个别可达十亿分之一的量级，远远超过动物的嗅觉感知度，故有“电子鼻”之称［１￣３］。
目前，对于各种气敏材料的研究已经引起许多研究者的关注，但对气敏机理的认识还较为模糊。
有学者提出了表面电阻控制模型、体电阻控制模型、吸附气体产生新能级模型、隧道效应模型、控制栅极模型和接触燃烧模型等气敏模型［４］。
本文主要从气体与敏感材料的相互作用出发，结合气敏材料电学性质的变化，对气敏材料的敏感机理进行较为详细的阐述。
１吸、脱附模型吸、脱附模型是指利用待测气体在气敏材料上进行物理或化学吸、脱附，引起材料电阻等电学性质变化从而达到检测目的的模型。
该模型建立较早，是最为公认的气敏机理模型。
通常情况下，材料对气体的物理和化学吸附不可分离的，只是对于不同的材料，起主导作用的吸附方式不同。
１．１物理吸、脱附模型物理吸、脱附模型是利用气体与敏感材料的物理吸、脱附进行检测的。
如水蒸气（湿敏）传感器就是利用物理吸附的水分子引起材料表面的电导率发生变化进行检测，也可利用吸附的水分子引起材料电容变化而进行检测。
严白平等［５］通过对ＭｇＣｒ２Ｏ４－ＴｉＯ２湿敏陶瓷的机理进行微观研究表明，材料表面颗粒存在电子电导，产生这种电子电导的原因不是水的化学吸附，因为水的化学吸附在低温下是不可逆的，其化学反应式是：Ｈ２Ｏ＋Ｏ－→２ＯＨ＋ｅ。
反应生成的ＯＨ不会在低温下还原成Ｈ２Ｏ。
显然，湿敏材料表面电子电导产生的原因是物理吸附水。
物理吸附水在湿敏材料表面是以弱氢键的形式吸附于表面ＯＨ上，由于水分子的强极性，水分子的物理吸附等效于表面上吸附了电偶极子。
物理吸附水是容易脱附的，水分子的吸附、脱附等效于表面电偶极子的偶极矩增大、减小。
这种表面偶极矩的变化使表面能变化，表面与材料内部实现电子转移。
收稿日期：２００６－１１－２８。
基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目，编号：２００４ＡＡ３０２０３２。
第一作者简介：刘海峰（１９８３－），男，硕士研究生。
气敏材料敏感机理研究进展刘海峰，彭同江，孙红娟，马国华，段涛（西南科技大学矿物材料与应用研究所，四川绵阳６２１０１０）１．２化学吸、脱附模型化学吸、脱附模型是利用气体在气敏材料上的化学吸、脱附进行检测的，这也是目前应用最为广泛的气敏机理模型。
黄世震等［６］研究ＷＯ３－ＺｎＳ系Ｈ２Ｓ气敏材料的机理发现，ＷＯ３为Ｎ型半导体材料，在空气中与氧气作用，形成吸附氧：Ｏａｄｓ－，Ｏａｄｓ２－。
当元件与Ｈ２Ｓ接触时，由于其表面与吸附氧反应：Ｈ２Ｓ＋Ｏａｄｓ２－→Ｈ２Ｏ＋Ｓ＋２ｅ，Ｈ２Ｓ＋Ｏａｄｓ－→Ｈ２Ｏ＋Ｓ＋ｅ，使得被氧原子所吸附的电子被重新释放成为自由电子，因而提高了材料的电导。
由于ＷＯ３与Ｈ２Ｓ在表面发生的反应为放热反应：ＷＯ３＋Ｈ２Ｓ→ＷＯｘＳｘ＋Ｈ２Ｏ，因而材料在较低温度下的灵敏度便很高。
同时，ＺｎＳ对Ｈ２Ｓ为吸附控制型，由于含有Ｈ２Ｓ与非整比化合物ＺｎＳ具有相同的Ｓ２－，在ＺｎＳ的表面便产生Ｈ２Ｓ的优先吸附，因而ＺｎＳ对Ｈ２Ｓ的灵敏度优于其它气体；且Ｈ２Ｓ是强还原性气体，温度升高不仅不利于Ｈ２Ｓ的吸附，还可能使Ｈ２Ｓ在未到达ＺｎＳ表面时被空气中的氧所氧化。
吴兴惠等［７］报道了ＣｄＳｎＯ３气敏陶瓷粉体的制备和气敏特性，认为ＣｄＳｎＯ３为一种Ｎ型半导体，当其处于清洁空气中时，其晶粒表面的吸附氧夺取晶粒体内的电子而形成Ｏ２－或Ｏ－，从而使其在空气中的电阻增大；当接触乙醇等还原性气体时，待测气体与活泼的Ｏ２－或Ｏ－反应，使电子返回体内，从而电阻减小。
ＤｏｒｏｔａＫｏｚｉｅｊ等［８］也研究了ＳｎＯ２气敏材料表面的吸附电导机理，认为在ＳｎＯ２表面吸附氧形成Ｏ－后，还存在一个水分子与吸附氧的反应：Ｈ２Ｏ＋Ｏａｄｓ－＋２Ｓｎ→２（ＳｎＯＨ）＋ｅ－。
２晶界势垒模型晶界势垒模型（如图１所示）是依据多晶半导体的能带模型，Ｏ２与电子亲和力大，当Ｎ型半导体气敏材料处于空气中时吸附周围的氧；吸附氧在半导体近表面俘获大量的电子，在半导体表层留下正的施主电荷，而表面是带负电的吸附氧，产生了空间电荷层；导带中电子从一个晶粒迁至另一个晶粒，必须克服因空间电荷而形成的势垒，势垒高度随吸附氧（Ｏａｄｓ－）浓度的增加而增大，因此，氧浓度越大，势垒越高，能越过势垒的电子越少，电导率越小。
当材料再吸附还原性气体时，还原性气体与氧结合，氧放出电子并回至导带，使势垒下降，元件电导率上升，电阻值下降。
而Ｐ型半导体则正好相反。
ＮＩＲＡＮＪＡＮＲＳ等［９］通过研究ＳｎＯ２粉体的气敏性能及机理发现，当环境中没有存在还原性气体时，ＳｎＯ２结构中的电子首先吸附空气中的氧气；氧气夺取ＳｎＯ２结构中的电子后，变成吸附氧而被吸附于ＳｎＯ２表面，导致ＳｎＯ２粉体自身的电阻增大，势垒增高，能带向上弯曲。
当环境中存在还原性气体时，同吸附氧发生氧化还原反应，将吸附氧释放，被夺去的ＳｎＯ２的电子又重新回到其结构中去，导致ＳｎＯ２粉体自身的势垒降低，电阻减小。
３氧化还原模型氧化还原模型是指在待测气体与半导体金属氧化物互相作用时，一方面由于半导体金属氧化物在高温时具有催化作用，与待测气体发生催化氧化还原反应；另一方面待测气体又会引起半导体金属氧化物本身发生氧化还原反应；同时，还可由两者共同进行氧化还原反应，从而发生电子的得失，引起材料电性质变化，体现气敏效应。
待测气体在气敏元件表面可发生氧化还原反应。
万吉高等［１０］研究了掺杂ＳｎＯ２粉体对ＣＯ的气敏机理后认为，ＳｎＯ２由无数细小的晶粒组成，元件的电导率受晶粒表面性质的影响；常温下，当元件在空气中时，氧以分子氧的化学吸附态形式存在：Ｏ２＋ｅ→Ｏ２－，当元件工作时，温度一般都在１００℃以上，此时吸附氧主要以Ｏ－甚至Ｏ２－的形式存在。
吸附氧在半导体近表面俘获大量的电子，使材料电阻值升高；如果环境中有ＣＯ等还原性气体存在，就会与Ｏａｄｓ－反应：ＣＯ＋Ｏａｄｓ－→ＣＯ２＋ｅ或ＲＨ２＋Ｏａｄｓ－→ＲＯ＋Ｈ２Ｏ＋ｅ，表面Ｏａｄｓ－与ＣＯ结合，同时释放出原来被Ｏａｄｓ－俘获的电子，导带电子浓度增大，电导率增大，表现出气敏效应。
图１Ｎ型气敏材料的势垒模型示意图半导体金属氧化物气敏材料在待测气体中与金属元素发生氧化还原反应，化合价发生变化，可以引起材料电学性质发生变化。
ＴＥＬＩＰＡＮ等［１１］通过氧化Ｆｅ３Ｏ４粉体得到γ－Ｆｅ２Ｏ３粉体，并对其气敏机理做了解释：γ－Ｆｅ２Ｏ３是一种Ｎ型金属氧化物半导体，为尖晶石晶体结构，在还原性气体中容易生成尖晶石晶体结构的Ｆｅ３Ｏ４，离子配位为：Ｆｅ３＋［Ｆｅ２＋Ｆｅ３＋］Ｏ４，氧原子作最紧密堆积，１／２的Ｆｅ３＋占据其四面体空隙，另外１／２的Ｆｅ３＋和Ｆｅ２＋则无规则地占据其八面体空隙，位于八面体空隙的Ｆｅ３＋和Ｆｅ２＋之间的电子交换造成使得Ｆｅ３Ｏ４具有极大的电导率。
当Ｆｅ３Ｏ４接触还原性气体时，随气体浓度不同，生成Ｆｅ３Ｏ４的量也不同；因二者结构相同，形成连续固溶体：Ｆｅ３＋［□１／３Ｆｅ５／３３＋］Ｏ４，表示正离子空格点。
在表面吸附还原性气体的情况下，Ｆｅ３＋和Ｆｅ２＋将进行电子交换，导致电阻率下降。
待测气体和半导体气敏材料相互作用发生氧化还原反应，因电子得失及电性变化而体现气敏性能。
胡英等［１２］测试了ＣｕＯ－ＺｎＯ气敏材料对Ｈ２Ｓ的敏感性，并对其机理给出了解释：由于Ｓ元素的存在，当ＣｕＯ－ＺｎＯ气敏元件吸入Ｈ２Ｓ气体时，因ＣｕＯ对Ｈ２Ｓ气体异常活跃而发生氧化还原反应生成ＣｕＳ：ＣｕＯ＋Ｈ２Ｓ→ＣｕＳ＋Ｈ２Ｏ。
ＣｕＳ是一种电阻率很低的良导体，它的生成使气敏传感器表面的异质ＰＮ结消失，取而代之是ＣｕＳ和ＺｎＯ接触的肖特基势垒。
在异质ＰＮ结向肖特基势垒转变的过程中，气敏传感器的阻值发生显著变化，从而对Ｈ２Ｓ气体呈现出很高的灵敏度。
４半导体能级模型半导体能级模型是从半导体的施主或受主能级的角度来解释材料的气敏机理的。
热处理后的ＳｎＯ２粉体由于缺氧，形成非化学计量化合物ＳｎＯ２－ｘ，Ｏ２以电中性的氧分子形式逸出，同时在晶体中产生正电荷的氧空位和带负电的锡来保持电中性。
由于锡的电子亲和力不强，氧空位周围束缚了电子，在晶格中起着施主杂质的作用，紧邻导带下方形成施主能级，从而使材料具备Ｎ型半导体性质，（如图２）。