賴小勇 郭茹

摘 要：半導(dǎo)體氣敏傳感器在各種氣敏傳感器中具有許多優(yōu)勢，如價格低、高靈敏度、操作簡單、適宜小型化（便攜化）等，因此備受關(guān)注。開發(fā)具有優(yōu)異性能的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)氣敏材料正成為當(dāng)前研究的熱點。本文簡單介紹了納米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體氣敏材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：氣敏傳感器 半導(dǎo)體 石墨烯 納米結(jié)構(gòu)

中圖分類號：O484 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（b）-0072-02

氣體傳感器在現(xiàn)代傳感器技術(shù)領(lǐng)域扮演著非常重要的角色，在醫(yī)療診斷、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)控與保護(hù)等領(lǐng)域有著廣泛需求和應(yīng)用。半導(dǎo)體氣敏傳感器具有價格低、高靈敏度、操作簡單、適宜小型化（便攜化）等特點而備受關(guān)注。目前半導(dǎo)體氣敏傳感器研究主要集中在對現(xiàn)有氣敏材料從骨架尺寸、孔隙結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成到表面性質(zhì)的改善、設(shè)計和合成新型氣敏材料以及氣敏元件構(gòu)型的設(shè)計和相關(guān)工藝改進(jìn)[1-4]。

隨著納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種具有優(yōu)良敏感特性的低維金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料被廣泛報道。1991年，Xu等[5]報道了SnO2納米粒子對氫氣（H2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）等氣體的靈敏度與它的粒徑尺寸（D）和耗盡層厚度（L）有關(guān)，當(dāng)D接近2L時，靈敏度會顯著增加。Chiu等[6]利用粒徑3nm左右的SnO2納米粒子裝配了高靈敏度的乙醇（C2H5OH）氣體傳感器，檢測下限可達(dá)1.7×10-6。一方面，粒子的表面積隨著粒徑的減小而顯著增大，與材料發(fā)生相互作用的氣體分子也增多；另一方面，當(dāng)D接近2L時，粒子中絕大部分電子處于耗盡層中，載流子濃度非常低，材料中的電子傳輸受表面-氣體相互作用的影響較大，因此靈敏度顯著提高。類似地，Bianchi等[7]利用In2O3納米線裝配成NO2傳感器，其靈敏度隨著納米線直徑的減小而顯著增加。Wan等[8]利用直徑25nm的ZnO納米線裝配成C2H5OH氣體傳感器，發(fā)現(xiàn)它對C2H5OH的靈敏度非常高，檢測下限可達(dá)1×10-6。Xu等[9]利用溶劑熱法制備的SnO2納米棒裝配成氣體傳感器，發(fā)現(xiàn)它對硫化氫（H2S）的靈敏度非常高，檢測下限可達(dá)5×10-6。Du等[10]利用碳納米管為模板制備了管壁厚度為5nm的In2O3納米管，發(fā)現(xiàn)它在室溫下對氨氣（NH3）有非常高的敏感性，檢測下限可達(dá)5×10-6。Hoa等[11]利用厚度為20nm的介孔NiO納米片裝配成氣體傳感器，可以檢測濃度為1×10-6的NO2氣體。

另外，由簡單納米單元構(gòu)成的三維超結(jié)構(gòu)材料也被廣泛關(guān)注。這類材料除了擁有簡單納米材料尺寸小、比表面積大等的特性外，通常兼具豐富的“傳輸通道”和“自支撐”結(jié)構(gòu)，有利于氣體在材料中的傳輸擴(kuò)散，能減少簡單納米材料易團(tuán)聚和燒結(jié)長大所帶來的比表面積損失和靈敏度下降，因此對待測氣體表現(xiàn)出高的靈敏度和快速的響應(yīng)以及良好的熱穩(wěn)定性。Li等[12]利用碳質(zhì)微球為模板制備了由30nm左右WO3納米粒子構(gòu)成的多孔空心微球，其對二硫化碳（CS2）、NH3、H2S等多種氣體擁有很好的靈敏度，優(yōu)于類似粒徑的WO3納米粒子。Lai等[13]也利用碳質(zhì)微球為模板，通過連續(xù)模板法制備了α-Fe2O3多殼層空心微球，其對C2H5OH氣體的靈敏度隨殼層數(shù)增加而提高。Wang等[14]報道了擔(dān)載金納米粒子的ZnO空心微球?qū)H3有改進(jìn)的氣敏性能。Sun等[15]報道了由多孔SnO2納米片構(gòu)成的“花狀”多級結(jié)構(gòu)材料，其對C2H5OH氣體表現(xiàn)出很好的敏感性。Waitz等[16]利用介孔氧化硅為模板制備了介孔In2O3，其對CH4具有較高的靈敏度，并具有高的熱穩(wěn)定性，優(yōu)于傳統(tǒng)溶膠-凝膠方法制備的In2O3納米粒子。Lai等[17]利用溶劑萃取處理的介孔氧化硅SBA-15為模板制備了一系列由In2O3納米棒陣列構(gòu)成的反相介孔材料，發(fā)現(xiàn)其對甲醛（HCHO）氣體的靈敏度隨納米棒直徑（4～9nm）減小而顯著增加，同時具有良好的熱穩(wěn)定性；摻雜Ag后，其靈敏度還能進(jìn)一步提高[18]。Zhao等[19]利用介孔氧化硅為模板制備了Pd摻雜的介孔SnO2，發(fā)現(xiàn)它對H2有改進(jìn)的氣敏性能。

總之，氣敏材料研究在金屬氧化物微納結(jié)構(gòu)尺寸控制與氣敏性能增強(qiáng)方面取得了顯著進(jìn)展，但是隨著材料尺寸的減小，其電阻必然增加，可能導(dǎo)致高的噪聲、限制靈敏度的進(jìn)一步提高，金屬氧化物氣敏材料的改進(jìn)在尺寸控制方面陷入了瓶頸。同時，金屬氧化物氣敏傳感器的工作溫度通常在200℃以上，功耗比較高，不利于器件的微型化。因此，尋找和開發(fā)新的低溫，甚至室溫敏感的氣敏材料將是未來重要的研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] ID Kim，A Rothschild，HL Tuller. Advances and new directions in gas-sensing devices[J].Acta Materialia，2013，61（3）：974-1000.

[2] F Yavari，N Koratkar. Graphene-based chemical sensors[J].Journal of Physical Chemistry Letters，2012，3（13）：1746-1753.

[3] D Bradley. Graphene gas sensor：Carbon[J]. Materials Today，2012，15（6）：233.

[4] LM Wei，DW Shi，PY Ye，et al.Hole doping and surface functionalization of single-walled carbon nanotube chemiresistive sensors for ultrasensitive and highly selective organophosphor vapor detection[J]. Nanotechnology，2011，22（42）：425501-425507.