基于Sb/ZnO纳米结构的气体传感器实现臭氧检测

自全球变暖加剧以来，由于对自然和人类的影响，导致全球变暖的气体一直受到监测。臭氧（O₃）是造成全球变暖的气体之一，它是一种淡蓝色的气体，具有独特的刺激性气味。过量接触臭氧气体会导致严重的健康问题，如肺部疾病和呼吸系统问题。因此，在尽可能低的气体浓度下检测臭氧是非常必要的。

据麦姆斯咨询报道，近日，高雄科技大学的研究团队使用了4种不同浓度的锑（Sb）掺杂ZnO，以比较气敏性能的最佳参数。采用水热法合成了Sb/ZnO纳米结构，并将其沉积在微机电系统（MEMS）微加热器上。由于Sb作为催化剂促进了气敏性能，与纯ZnO气体传感器相比，Sb/ZnO传感器的响应得到了增强。相关研究成果以“Enhanced ozone gas detection with Sb doped ZnO nanorods synthesized on MEMS microheater”为题发表在Sensors and Actuators Reports期刊上。

Sb/ZnO的沉积是通过水热合成进行的，这是一种广泛应用的合成方法，具有灵活性、易操作性、易控制性和最大的有效性。Sb元素在其构型中有3个价电子，在其三价态下，Sb可以取代ZnO晶格，从而增加一个额外的电子用于传导，这使其对气体传感应用更具吸引力。研究人员利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）分析研究了Sb和ZnO的结构形貌和氧化态。

Sb/ZnO的XRD分析

Sb/ZnO的SEM俯视图

以臭氧为主要测试气体，用所有掺Sb的ZnO传感器进行了气敏响应。工作温度范围从最低150°C到最高250°C，臭氧气体浓度从最低50 ppb到最高250 ppb。在所有的气敏特性中，在大多数工作温度条件下，7 mM Sb掺杂ZnO传感器显示出比任何其他掺杂浓度都高的传感响应。在200°C的最佳工作温度、1 ppm浓度下，7 mM Sb掺杂ZnO对臭氧气体具有最佳的传感响应。

每个Sb掺杂ZnO气体传感器在不同温度下的气敏响应

在金属氧化物半导体传感器中，气体传感机理主要基于表面化学吸附现象来解释。Sb掺杂ZnO的传感增强机理是由于Zn离子被Sb离子取代，从而产生了更多的表面反应。

气体传感机理

总而言之，这项工作研究了水热合成的Sb掺杂ZnO纳米结构的各种结构和传感特性。结构性能显示成功沉积了Sb和ZnO元素，不存在杂质。在50 ppb至250 ppb的非常低的浓度下测试臭氧气体的传感特性，并使用7 mM Sb掺杂ZnO气体传感器增强了传感性能。发现最佳工作温度为200°C，与多种其它气体相比，该传感器对臭氧气体具有高选择性。Sb掺杂ZnO的传感增强机理是由于于Zn离子被Sb离子取代，产生了更多的表面反应。从产生的数据分析来看，这项研究可用于开发高质量的臭氧气体传感器。

论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.snr.2024.100191

审核编辑：刘清