掺杂纳米SnO_2气敏传感器的研究进展

介绍多孔硅

!"!#器件与技术

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Ｏ２气敏传感器的研究进展掺杂纳米Ｓｎ　

杨华明，杜春芳，欧阳静，张向超，苏晓辉

（中南大学资源生物学院无机材料系，长沙

"!##5&）

摘要：介绍了半导体气敏传感器的发展历史和掺杂纳米#$%&气敏传感器的特性与应用；详细分析了掺杂金属单质、金属氧化物和稀土元素对#$%&气敏性的影响，通过掺杂可以显著改善其对特定气体的灵敏度、稳定性和选择性等参数；利用元件表面的氧吸附理论分析掺杂纳米#$%&的气敏机理；展望了#$%&气敏传感器的发展前景。关键词：二氧化锡；掺杂；传感器；气敏特性中图分类号：G?$!$

文献标识码：H

文章编号：!+F!I"FF+（$##>）#"I#!">I#>

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!引言

幕。!%+$年，日本人清山哲郎发现了氧化物半导体薄膜的气敏效应，并研制出第一只,-)半导体薄膜气敏元件。同年日本的./0(123等人首先开发了世界上第一个4-)$气敏传感器，并于!%+5年由

半导体气敏传感器的研制和生产已有"#多年的历史，通常通过气敏前后电导率的变化来推知被测气体的信息，这种变化来自于薄膜吸附被测气体前后的表面势垒变化

［!，$］

.36/78公司投入市场，实现了商品化，使半导体气

体敏感元件得到了迅速发展。此后人们研制了其他材料的半导体气敏元件，如.9$)&，,-4-)&，:)&，

。早在!%&!年研究人员

就发现，金属氧化物’($)的电导率随*$)蒸汽的吸附而改变，接触气体时其电导率随气体种类及浓度而发生变化，从此拉开了材料气敏特性研究的序

收稿日期：$##"B!#B!$

;-$)&，<=$)>等以及有机材料的气体敏感元件，随

后又发现在4-)$中添加?@和?A等贵金属作增敏

基金项目：国家自然科学基金资助项目（>#&#"#!"）；湖南省科技攻关计划项目（#&CDE&#&5）；中南大学研究生教育创新工程资助项目（#&#F#$）

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微纳电子技术!""#年第$期

介绍多孔硅

!"!#器件与技术

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剂能提高其性能指标。!"年代中后期，武田义章、

著，掺杂的贵金属包括铂、钯、钍等，5’，56，78等

［0"］

#$%&’’(等人首次研制成功掺杂)*+,（-.+,/)*+,）

气敏元件。

贵金属起催化活性中心的作用，能降低被测

气体化学吸附的活化能，有效提高元件的灵敏度和缩短响应时间。催化剂不同可导致不同的吸附试样，从而具有选择性。

)*+,薄膜由于强度好，具有优良的化学稳定

性，在室温下有很强的抗酸碱腐蚀能力，研究表明晶粒线度为010""*2的薄膜具有多孔柱状结构、比表面积大、功耗低；其制备工艺可与平面工艺相结合，有利于集成化，且所用原料价格便宜，可实现廉价生产；在气敏传感器、薄膜电阻、电热转换薄膜、太阳能电池、透明电极等领域得到了广泛应用，同时也开发出了各种各样的制备方法

［314］

9(:;.&8<等人比较了不担载和担载贵金属钍

的乙醛气敏)*+,膜传感器及其表面化学性能，并将在3=">时担载"?0@A.条件下传感器电阻的增加归因于A.与)*+,之间电子的相互作用

［00］

。

BC&和D.(<几乎同时利用金属有机化学气相沉积

法制备了担载-.的环六亚甲基四胺（-#E）的

。

半导体气敏元件发展的重点集中在考虑响应时间、制作成本和保证寿命的条件下如何提高其选择性、灵敏度和稳定性等。)*+,薄膜的导电性主要通过氧缺位和掺杂来提高，掺杂不仅可以提高元件的电导率，还可以提高稳定性和选择性，一般添加金属单质、金属氧化物和稀土氧化物等。作为!/

)*+,膜传感器，认为当)*+,膜掺杂-.且工作在,""13F">时，它对浓度低至0"G=13H0"GI的环六亚

甲基四胺仍然有相当灵敏的响应，响应时间和恢复时间都很短

［0,，03］

。

5’是强氧化性催化剂，是最早应用的铂系催

化剂之一。在氨的氧化中占有重要的地位，将适量

"族化合物的)*+,，#族和$族元素原子可分别

占据!族和"族元素的位置而起施主作用。表0为部分)*+,基掺杂气敏材料。

表&

掺杂对’()!气敏性能的影响

5’加入)*+,中，元件对%J3的灵敏度较高，随着5’含量的增加元件的敏感特性变化不大。汤兆

胜

［,］

等人用光度法测量的纯)*+,薄膜对)+,的

灵敏度极低，在I""1,=""*2的测试波段中灵敏度几乎为零，而)*+,K5’薄膜在可见光到近红外波段!!,?=@。

蔡晔

［0］

*+,-.&/00.123405467(84(8+33.(37(8

6946.927.340’()!(+(43.(3493

掺杂物

选择性较高的气体

最佳温度K>

研究了在)*+,中掺入少量（0@13@）

L6（,@1=@）（0）R(,+3（,?!@）（,）56（"?,@）（,）

%+,L+,L+乙醇

,4"I"",""3="I""0""I"",M",""13"",""

56时的灵敏度，在0"">时对04IH0"GF的J,有最

大灵敏度，在,"">时对L+有极高的灵敏度。而在可见光区对)+,气体有较好的灵敏度!，在

3M"*2附近!N0=@，随着波长的增加，灵敏度降

低。根据晶粒尺寸效应，只要符合"O,#P（#P为德拜长度）就可获得极高的灵敏度，因此可添加碱金属或稀土元素来控制晶粒的生长，或添加某些金属离子用掺杂受主的办法来增加#P值，从而提高灵敏度。

但是贵金属价格昂贵，而且在环境中某些成分（如%+,，)+,等）的作用下催化性能下降，催化剂的中毒也会使元件的长期可靠性受到损害，因此开发了其他掺杂剂。如在近红外波段（0?!1,?=%2），

S&用)+,处理

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L3JM碳氢化物

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