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基于金属氧化物的乙醇检测气敏材料的研究进展(8)
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摘要：2.3 MOx材料异质结构建 除了掺杂，构建异质结也是常见的材料改性方式。异质结是通过两种具有不同费米能级的MOx相互接触，界面性质改变并影响材料表面
2.3 MOx材料异质结构建
除了掺杂，构建异质结也是常见的材料改性方式。异质结是通过两种具有不同费米能级的MOx相互接触，界面性质改变并影响材料表面势垒进而提升MOx材料气敏性能的结构。
MOx-MOx异质结结构研究较为广泛。例如，针对SnO2异质结结构，Liu等[80]采用溶液法制备了ZnO/SnO2异质结（见图6）。由于异质结与SnO2和ZnO的协同效应，制备的ZnO/SnO2对乙醇具有低至500μg/g检测限，而其特殊的结构使其在30μg/g乙醇中的响应为普通SnO2的7倍，其在225℃对30μg/g乙醇的响应为34.8，而其响应时间更是低至1s。Fang等[81]采用电子束蒸发和磁控溅射法制备了NiO/SnO2异质结（见图6）。经检测，5nm NiO/100nm SnO2薄膜的MOS气体传感器在250℃对100μg/g乙醇气体的响应为7.9，并且其检测限低至0.1μg/g。此类MOS气体传感器采用MEMS技术制备了加热电极和测试电极，并且直接将气敏材料沉积在测试电极上，避免了气敏材料制备后再进行沉积过程中可能引入的黏结剂等添加剂影响。Choi等[82]先采用高温退火法在叉指电极上制备了SnO2纳米线，然后将采用水热法制备的Fe2O3纳米颗粒通过旋涂-高温退火的方式包覆于SnO2纳米线表面，形成Fe2O3包覆的SnO2气体传感器。该传感器在300℃对100μg/g、200μg/g乙醇的响应分别为31.18、57.56，并且可稳定运行30天。Wang等[83]采用水热法制备了CoO/SnO2，在250℃对100μg/g乙醇的响应为145，响应时间为2～3s；而其相同条件下对甲醇、丙酮和甲醛的响应分别约为56、54和15。Gong等[84]等采用沉淀法-原子层沉积法在硅片上制备了核壳结构的SnO2/ZnO纳米片阵列，350℃对100μg/g乙醇的响应为13.3（此时SnO2纳米片阵列的响应仅2.7）；而相同条件下，对100μg/g甲醇、丙酮、氨气、甲苯和苯的响应分别为4、4、1.2、1.4和2。Wang等[85]采用水热法合成了海胆状的SnO2/Fe2O3，在260℃对100μg/g乙醇响应为41.7，响应/恢复时间仅为3s/4s，其检测限低至0.1μg/g；相同条件下SnO2/Fe2O3对甲醛、苯和氨气的响应分别约为9、8和5。Liu等[86]也采用水热法制备了SnO2/Fe2O3，240℃对100μg/g乙醇响应为5.88，恢复/响应时间为1s/5s；相同条件下对丙酮、氨气和甲醛的响应分别约为2.5、1.5和1。
图6 ZnO/SnO2异质结SEM图、20nm NiO/100nm SnO2异质结TEM图和NiO/SnO2异质结MOS气体传感器装配示意图［80-81］
对于ZnO异质结构，Behera等[87]采用磁控溅射的方式，在氧化硅基底上沉积了黄铜，并经过热处理氧化为纳米片状的ZnO/CuO。该MOS气体传感器在300℃下，对10μg/g乙醇的响应度为2.16。Xiong等[88]以ZIF-67为模板，采用热分解法制备了ZnO修饰的Co3O4空心多面体，200℃对1000μg/g乙醇的响应为106，响应/恢复时间为7s/236s；而200℃对500μg/g乙醇、氨气、氢气、甲烷、CO2和丙酮的响应分别约为30.2、3、2、3、3和5。Zhang等[89]采用水热法合成了LaMnO3修饰的ZnO（LaMnO3/ZnO）。由于优质结构的形成以及LaMnO3/ZnO优异的氧还原性能，材料性能得到改进，LaMnO3在300℃时对50μg/g乙醇的响应约为6（ZnO相同条件下响应约为3.5），而对甲烷、丙烷、氢气和CO的响应均约为1；此外，LaMnO3/ZnO的响应/恢复时间为8s/17s，优于ZnO在相同条件下的响应/恢复时间37s/32s。Liu等[90]采用溶剂热法制备了纳米级的ZnO薄膜，并采用脉冲激光沉积法在ZnO沉积CuO纳米颗粒得到了CuO/ZnO。320℃时，CuO/ZnO对200μg/g乙醇的响应约97，而相同条件下对甲醇的响应约为57，对甲苯、氨气、苯等的响应不足20，其对乙醇响应/恢复时间仅为5s/25s。Wang等[91]采用水热法合成了CdO/ZnO空心球。约12nm的CdO纳米颗粒均匀分布于ZnO纳米片表面，形成CdO/ZnO异质结构，经测试，摩尔分数为2.6%的CdO/ZnO性能最好，其在250℃时对100μg/g乙醇的响应为65.5，是相同条件下ZnO的16倍；CdO/ZnO的响应/恢复时间为2s/136s。此外，在相同条件下，CdO/ZnO对甲醇、甲醛、甲苯、苯和丙酮的响应分别约为10、9、2、3和15，材料选择性较好。另有研究采用共沉淀法制备了Mn掺杂的ZnO（MZO），并进一步采用CdO修饰制备了CdO/MZO[92]。MZO材料对乙醇、丙酮均存在较好的响应，其在340℃时对20μg/g乙醇、丙酮的响应分别为9.5、17。CdO的加入增加了材料表面的碱性，使丙酮分子难以吸附，因此CdO/MZO表现了较好的选择性，240℃对20μg/g乙醇、丙酮的响应分别为11.4、1.2，且其对乙醇的响应/恢复时间为11.4s/12.4s；此外，CdO/MZO在相同条件下对甲醛、苯的响应分别约为2和1。Chen等[93]以ZIF-8为前体制备了六边形α-Fe2O3/ZnO/Au纳米片，280℃对100μg/g乙醇响应为170，响应/恢复时间为4s/5s。
除此之外，WO3、In2O3的应用也极为广泛，如Sun等[94]采用水热法制备了MoO3/WO3。320℃对100μg/g乙醇、丙酮的响应分别为28.5、18.2，其中对乙醇的响应/恢复时间为13s/10s。Choi等[95]采用热蒸发法制备了WO3，并进一步采用静电纺丝-高温退火法制备了Cr2O3修饰的WO3。Cr2O3修饰的WO3对200μg/g乙醇的响应为5.58（300℃），是WO3的4.4倍。Hu等[96]采用水热法合成了花状MoO3/In2O3，185℃对100μg/g乙醇响应为7，响应/恢复时间为11s/94s，且检测限低至0.05μg/g；相同条件下对甲醇、甲烷、CO和氢气的响应分别约为2.5、1.6、1.8和1.5。
文章来源：《微电子学与计算机》 网址: http://www.wdzxyjsjzz.cn/qikandaodu/2020/0808/359.html