自全球變暖加劇以來(lái)，由于對(duì)自然和人類的影響，導(dǎo)致全球變暖的氣體一直受到監(jiān)測(cè)。臭氧（O?）是造成全球變暖的氣體之一，它是一種淡藍(lán)色的氣體，具有獨(dú)特的刺激性氣味。過(guò)量接觸臭氧氣體會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的健康問(wèn)題，如肺部疾病和呼吸系統(tǒng)問(wèn)題。因此，在盡可能低的氣體濃度下檢測(cè)臭氧是非常必要的。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，高雄科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)使用了4種不同濃度的銻（Sb）摻雜ZnO，以比較氣敏性能的最佳參數(shù)。采用水熱法合成了Sb/ZnO納米結(jié)構(gòu)，并將其沉積在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）微加熱器上。由于Sb作為催化劑促進(jìn)了氣敏性能，與純ZnO氣體傳感器相比，Sb/ZnO傳感器的響應(yīng)得到了增強(qiáng)。相關(guān)研究成果以“Enhanced ozone gas detection with Sb doped ZnO nanorods synthesized on MEMS microheater”為題發(fā)表在Sensors and Actuators Reports期刊上。

Sb/ZnO的沉積是通過(guò)水熱合成進(jìn)行的，這是一種廣泛應(yīng)用的合成方法，具有靈活性、易操作性、易控制性和最大的有效性。Sb元素在其構(gòu)型中有3個(gè)價(jià)電子，在其三價(jià)態(tài)下，Sb可以取代ZnO晶格，從而增加一個(gè)額外的電子用于傳導(dǎo)，這使其對(duì)氣體傳感應(yīng)用更具吸引力。研究人員利用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和X射線光電子能譜（XPS）分析研究了Sb和ZnO的結(jié)構(gòu)形貌和氧化態(tài)。

Sb/ZnO的XRD分析

Sb/ZnO的SEM俯視圖

以臭氧為主要測(cè)試氣體，用所有摻Sb的ZnO傳感器進(jìn)行了氣敏響應(yīng)。工作溫度范圍從最低150°C到最高250°C，臭氧氣體濃度從最低50 ppb到最高250 ppb。在所有的氣敏特性中，在大多數(shù)工作溫度條件下，7 mM Sb摻雜ZnO傳感器顯示出比任何其他摻雜濃度都高的傳感響應(yīng)。在200°C的最佳工作溫度、1 ppm濃度下，7 mM Sb摻雜ZnO對(duì)臭氧氣體具有最佳的傳感響應(yīng)。

每個(gè)Sb摻雜ZnO氣體傳感器在不同溫度下的氣敏響應(yīng)

在金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器中，氣體傳感機(jī)理主要基于表面化學(xué)吸附現(xiàn)象來(lái)解釋。Sb摻雜ZnO的傳感增強(qiáng)機(jī)理是由于Zn離子被Sb離子取代，從而產(chǎn)生了更多的表面反應(yīng)。

氣體傳感機(jī)理

總而言之，這項(xiàng)工作研究了水熱合成的Sb摻雜ZnO納米結(jié)構(gòu)的各種結(jié)構(gòu)和傳感特性。結(jié)構(gòu)性能顯示成功沉積了Sb和ZnO元素，不存在雜質(zhì)。在50 ppb至250 ppb的非常低的濃度下測(cè)試臭氧氣體的傳感特性，并使用7 mM Sb摻雜ZnO氣體傳感器增強(qiáng)了傳感性能。發(fā)現(xiàn)最佳工作溫度為200°C，與多種其它氣體相比，該傳感器對(duì)臭氧氣體具有高選擇性。Sb摻雜ZnO的傳感增強(qiáng)機(jī)理是由于于Zn離子被Sb離子取代，產(chǎn)生了更多的表面反應(yīng)。從產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分析來(lái)看，這項(xiàng)研究可用于開發(fā)高質(zhì)量的臭氧氣體傳感器。

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

審核編輯：劉清