文摘

产生大量的污染物从工厂和汽车以气体的形式。对环境的负面影响是众所周知的;因此检测与有效气体传感器是污染预防工作的重要部分。使用金属氧化物半导体气体传感器,特别是SnO₂纳米结构。半导体是有趣和值得进一步研究因为它的许多用途,例如,锂电池电极、能量存储、催化剂、晶体管、有潜力作为气体传感器。此外,必须有一个讨论的SnO的使用₂作为污染物气体传感器等废物尤其是有限公司有限公司₂,所以₂,没有_x。本文的SnO制造的发展₂纳米结构的合成就会被描述为与污染物气体传感器的性能有关。此外,还有雪地的功能化₂气体传感器是广泛讨论对气体吸附理论,还有雪地的表面特征₂、带隙理论和电子转移。

1。介绍

近年来,人类的发展需要对货物从工厂生产产生了戏剧性的增长。使商品的过程中,很多垃圾直接倾倒到环境中。这对环境有直接的影响,因为化石燃料的使用产生废气,最终危害自然生态系统。处理临时演员,被丢弃,会导致污染环境被称为污染物。目前,最广泛的形式的污染物产生气体。有限公司有限公司₂,所以₂,没有_x是污染物气体由工厂生产流程(1- - - - - -3]。许多正在努力减少污染气体的影响,其中一个是气体传感器的实现作为预防手段。

使用传感器来检测气体被广泛认为是一种预防的方法。在过去的几十年里,几种类型的气体传感器开发了不同材料和转导平台。主要物质用作气体探测器包括金属氧化物半导体,本征导电聚合物,聚合物导电复合材料,金属氧化物/聚合物复合材料等新材料。这些材料可以用在不同的传导单元,或称为chemiresistive表面声波(看到),石英晶体微量天平(药物),光学传感器,金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) [4,5]。根据已经完成的研究,chemiresistive金属氧化物半导体材料,有最大的气体传感器技术的潜力。

金属氧化物半导体气体传感器有几个优点,包括低成本、高灵敏度、快速响应和恢复时间,简单的电子接口,使用方便,维修费用低,能够检测出大量的气体。一般来说,金属氧化物分为两种类型:nontransition和产品化。与此同时,金属氧化物半导体有两种类型:n型(大多数航空公司都是电子)和p型(大多数载体的孔)。大多数的金属氧化物半导体是n型由于电子自然产生氧气6,7]。然而,相比p型半导体工作温度较低n型(4,5,8]。传感器金属氧化物半导体是用于检测目标气体通过一个目标气体之间的氧化还原反应与氧化表面(5]。氧化锡(SnO₂)已被确定为一个金属氧化物半导体的敏感目标气体,相比与其他氧化物半导体(9]。

SnO₂是一种n型半导体,有一宽的带隙(3.6 eV在300 K),以便它可以利用多种技术(31日- - - - - -35]。SnO₂用于锂电池电极、电化学储能、催化剂、传感器(8,31日,34]。SnO的工作原理₂气体传感器来自SnO导电性的变化₂谷物,由于氧和气体减排之间的反应。一般来说,SnO₂纳米颗粒具有大的表面积,使高灵敏度气体传感器。传感器的良好的性能可以通过减少粒子的大小(36]。许多已经努力改善SnO的敏感性₂,包括修改其形态。例如,一些形态,已经获得纳米粒子(31日,36),纳米线(32),碳纳米管(35],nanoneedles [37],nanoflowers [38],nanosheets [24),和颗粒24]。

综述了有害气体的气体有限公司有限公司₂,所以₂,没有_x。一氧化碳(CO)是一种无色、无味的气体。CO气体可以导致人类死亡如果吸入气体浓度的8小时10 ppm (4]。一般来说,有限的化石燃料不完全燃烧产生的气体发动机和车辆(4]。二氧化碳(有限公司₂)是一种无色气体,不易燃烧的,是温室效应的主要原因。生成的气体从人类呼吸,燃烧化石燃料和森林火灾。这种气体可以回收到氧气通过植物光合作用过程(4]。二氧化硫(所以₂)是一种气体,无色,闻起来像燃烧过的火柴。如果吸入大量气体,它可以导致呼吸困难,疼痛在呼吸系统,肺阻力的变化,以及心血管疾病。对环境,所以₂气体释放到大气中会导致温室效应和酸雨4]。氮氧化物(不,没有₂)是植物的燃烧产生的有毒气体。二氧化氮(不₂)3 ppm是最危险的一种_x气体。这种气体会导致臭氧层的形成在一个低于正常高度(4]。虽然没有气体有害而没有相对比较少₂,它产生酸雨对环境有害生物;因此它的检测是至关重要的环境保护(4]。

本文将回顾SnO₂纳米结构的适用性作为污染物气体传感器。的不同方面作为污染物气体传感器在合成方面,形态,其性能将讨论。此外,理论的SnO表面的吸附过程₂将,以及讨论带隙和电子转移过程在表面的SnO吗₂。这一理论的理解提供了一个有用的框架,以进一步了解SnO的潜力₂作为气体传感器。SnO的气体灵敏度₂可以通过上述的理论分析。

2。SnO的制备方法₂

最近的事态发展在合成和形态学技术如下所述。

2.1。合成

各种合成方法(化学和物理)开发获得SnO₂结构比先前的努力有更好的特点。进一步提高特征,科学家测试了不同的参数,如形态、粒度、成分。

2.1.1。合成方法

(一)为基础的解决方案的方法。为基础的解决方案方法是常用的和已被证明是一种有效的方式来获得金属氧化物纳米结构具有良好的控制形状、组成,和繁殖。通常,这种方法涉及低温反应,与某些灵活的参数,适用于大型生产(38]。通过这种方法,尺寸,成分,尺寸的材料可以很容易控制38]。几个技术通常用于制造SnO₂纳米结构包括水热法和化学沉淀的方法。

水热合成方法,反应进行加压,密封容器和将一定温度,反应溶液超过临界点使用水作为溶剂。这个过程被广泛用于获得纳米材料因为以下优点(38]:(1)许多无机盐是兼容的,可以与醚重组。它可能更容易设置金属离子的来源,可以根据需求。(2)水是无毒、对环境安全,通常是便宜的获得。(3)分子可以很容易地用于调节纳米晶体的生长。(4)强极性的水是非常有利于纳米晶体的生长。

Firooz et al。10)进行了水热法在低温下获得SnO₂纳米颗粒和纳米棒。SnCl的解决方案是使用₂h·2₂O和氢氧化钠,搅拌,直到解决方案就会变得清晰。然后,表面活性剂CTAB (cetyltrimethyl溴化铵)插入到解决方案,再次搅拌加热。看到齐次解,解决方案是插入到高压蒸汽温度为130°C 24小时。

Firooz et al。10获得SnO)进行实验₂纳米结构通过与微波辅助水热合成方法。解决方案是由SnCl的混合物₂h·2₂O,尿素和水,而在室温下搅拌。之后,柠檬酸添加,搅拌,直到清晰。明显的解决方案是涌入五被称作血管与聚四氟乙烯涂层。船只已满的解决方案被关闭,插入到微波加速反应系统(MARS-5)温度为90°C, 120°C, 160°C 30分钟和120°C 10到60分钟。吴et al。12)尝试使用水热法得到一些形态纳米结构。解决方案由水,乙醇,SnCl₄h·5₂O,氢氧化钠,HMT搅拌30分钟。后来,插入一个高压釜24小时在180°C。此外,其他解决方案也由取代HMT挂钩或草酸(H₂C₂O₄)用同样的治疗。关等。13SnCl合成的物质₂h·2₂啊,那₃C₆H₅O₇h·2₂啊,和氢氧化钠。他们搅了水和乙醇。看到一个均匀液体,关等人添加锌(没有₃)₂h·6₂o .然后,解决方案也插入一个聚四氟乙烯容器和处理在一个高压釜12小时的180°C。

实验通过水热合成方法建立其形态已经由Talebian和Jafarinezhad [14]。在这个过程中,温度、分解时间和老化时间参数,实验改变。解决方案是由前体SnCl₄h·5₂O,氢氧化钠、水和乙醇(解决方案是搅拌直到解决方案成为白色)。参数是温度和时间变化(温度(°C):时间(小时),190:48岁,190:24日,160:20,100:20)。因此,不同形态的物质。对物质的加热48小时在190°C的温度,nanoflower形成;24小时和190°C,奈米棒形成;20个小时和160°C, nanocauliflower形成,而100°C的温度20小时nanosphere形成。基于化学沉淀的解决方案方法类似于水热方法使用溶液作为反应过程,但化学反应过程可以建立在一个开放的容器在低温下(通常低于100°C)。这个过程可以解释为前体生产单体之间的化学反应,后来发展成最后的材料或按照所需产品(14]。化学沉淀方法的说明图中可以看到1。

徐et al。15]介绍了SnO的准备₂通过前体nanosheets降水SnCl的溶液₂h·5₂啊,水,和公司(NH₂)₂溶解在水里。材料搅拌,然后₂O₃管浸入溶液6小时温度为95°C。SnO₂成长的基地₂O₃管。Chikhale et al。16)进行了实验比较纯粹的SnO的降水方法检测属性₂纳米晶体,镧。SnCl的解决方案是由₄h·5₂啊,(没有₃)₃、水和氨(NH)₃·H₂O)的前身是在水中搅拌,直到解决方案看起来清晰或透明然后扔进氨直到pH > 8。在这些条件下,形成降水。最终产品然后用水洗了好几次的温度和加热2小时在450°C。

田et al。17)进行实验,以确定锰掺杂SnO的结构和磁性₂通过化学沉淀合成方法。SnCl的解决方案包含₂和Mn (CH₃首席运营官)₂h·4₂O溶解成乙醇。在混合过程中温度的60°C, NH₄HCO₃和HCl pH值下降到解决方案,直到9。解决方案被分散超声发生器30分钟,洗净晾干降水结果在150°C获得纳米晶体粉末。然后粉末加热不同温度(450 - 800°C)为3小时。Baitha et al。18)进行了实验与化学沉淀ZnO-SnO合成方法₂纳米复合材料。SnCl的解决方案是使用₄h·5₂O和ZnSO₄h·7₂O前兆,溶解在水中几分钟直到解决方案是混合。然后,氢氧化钠是不同pH值下降到解决方案,直到达到目标(3、5、7、9和11)。一旦一致性看起来像粥,解决方案是使用滤纸过滤,用水洗去和Cl⁻离子。然后过滤产品烘干的一小时在100°C。

(b)基于前驱固体的热转换。另一种方法,可以用来形成纳米结构是通过热能转化前体的固体。形态形式可以获得很好通过加热解决方案在正确的热量。这种方法类似于化学沉淀合成方法,但热脱水的过程执行的前兆在固体形态相对更高的治疗温度。合成的一个重要参数,必须正确设置时溶液的酸度(pH)水解,因为它会影响结构的形态和大小。然后,经过适当的热处理工艺,将成立一个好的形态样本(38]。基于前驱固体的热转换方法的优点是更简单、更可控的大规模生产,这使得它更实用,并承诺在为催化剂生产材料和气体传感器(38]。

(c)电化学方法。电化学方法是广泛用于纳米多孔金属氧化物的生产,因为这是一个非常简单的过程在低温下,使其可行的商业生产(38]。这种方法是非常有利的,因为增长的方向,形态和大小,严格控制沉积参数(沉积电压强度、电流密度和温度)(38]。电化学方法的图中可以看到图2。

Jeun et al。19)进行实验和电化学沉积方法获得nanohybrid SnO的泡沫₂/措。这个过程发生在Sn / SnO₂涂层衬底电解质溶液中含有硫酸,硫酸铅、硫酸和铜。进行电沉积电流密度为0.667厘米⁻²10秒钟。氧化,泡沫在700°C加热1小时。赖et al。20.)进行实验操作SnO的形态₂纳米管通过控制它们的大小通过电化学沉积方法。SnO₂纳米管合成使用聚碳酸酯膜的孔隙直径50或100海里作为模板。厚度和孔隙密度是6μ米和6×108孔/厘米²,分别。聚碳酸酯的一边是黄金涂层厚度500海里的溅射,使种子层。电接触的膜作为电极用铜带。由此产生的样本被放置在电解液中细胞。所使用的电极铂和Ag / AgCl SnCl的使用₂、氢氧化钠、硝酸作为电解质的解决方案。SnO₂沉积在模板用−0.4 V的电压变化的沉积时间。沉积后,样品被使用二氯甲烷和异丙醇纯化通过加热4小时在400°C。

Jeun et al。21创建SnO)进行实验₂使用电化学沉积多孔泡沫SiO合成方法₂/ Si衬底并确定其性能对污染气体检测。在沉积过程开始之前,基质是先用丙酮清洗,乙醇和水,以及被涂层通过原子层沉积(ALD)方法。SnO₂薄层使用的是二乙酸前体dibutyltin Sn的前体(DBTDA)。持续使用时间3秒(源脉冲),12秒(第一次清洗),2秒(氧气脉冲),10秒(等离子体脉冲),12秒(第二清洗)。衬底的温度加热到70至100°C。电解液的解决方案是由硫酸和硫酸铅。衬底,涂层作为阴极,SUS阳极。阴极和阳极之间的距离是35毫米。的价值在沉积过程中使用的电流密度大约是2 /厘米²。as-deposited样本然后加热1小时的700°C。图3介绍了电化学沉积技术。

(d)热氧化法。热氧化方法用于获得1 d形态的金属氧化物38]。获得所需的独特形态形式只能是通过加热金属衬底,以将其转换为金属氧化物。这个过程也需要一种特定的气氛空气成分(空气,即。阿,₂和N₂)[38]。形态的增长依赖于温度,通常从400年到700°C,生长时间和气体流量(38]。

陆et al。22获得SnO)进行实验₂纳米粒子通过热氧化法和由此产生的层用于H₂气体传感器。制备SnO₂纳米粒子在这些实验中使用一个衬底SiO做的₂100纳米的厚度。锡(Sn)沉积在基质不同粗细的电子束(10 - 100海里)。之后,热氧化过程是由加热Sn电影(在200°C 2小时,2小时40°C,和8小时600°C)在纯氧的氛围气体流量(200毫升/分钟的流量)。实验的图中可以看到图4。

周et al。23)使SnO₂电影通过热氧化合成过程。起初,氮化锡(SnN_x)通过溅射沉积在硅、石英基质的方法。150纳米膜厚度。沉积后,给出了样品热氧化处理与不同温度(400 - 800°C)为2小时。在这个过程中,SnO的形态结构的形式₂会改变。

一些研究人员已经进行了一些热的方法。阿拉法特的SnO等人回顾一些₂纳米结构合成(39]。其中的一些方法是热液,电纺的,熔盐,蒸汽辅助生长过程和热蒸发。其中法、水热法提供了廉价、快速制造、和低温过程。阿拉法特等人在研究SnO生长₂纳米线/ nanoneedles Si / SiO₂基板在95 - 98°C采用水热法39]。的特点产生的纳米线/ nanoneedles取决于一些参数的增长时间,温度,和Sn^{4 +}/哦⁻在解决方案。除此之外,他们报告说,减少SnCL的浓度₄可以使纳米线变薄(39]。阿拉法特et al。39]。他们用SnCl₄h·5₂O和氢氧化钠作为前体。前体溶于水/乙醇和加热到190°C。除此之外,他们负载₂O₃对SnO₂奈米棒的奈米棒分散在酒精添加La紧随其后₂(没有₃)₃h·6₂o . SnO增长的另一个简单的方法₂是热蒸发39]。在这种方法中,纳米线SnO₂生长在非盟沉积衬底。Sn粉末加热到800°C和衬底远离Sn源在特定的遥远。SnO₂蒸发在特定的时间间隔。蒸发需要的时间越长,时间越长纳米线的长度会(39]。

金等。40)提供了新的化学途径产生分层和密集的SnO₂球体。他们使用含有SnCl的解决方案₂h·2₂O H₂C₂O₄和N₂H₄·H₂O (40]。密集的合成与H浓度范围₂C₂O₄和N₂H₄·H₂O高于等级范围(40]。首先,每个解决方案加热热水地在180°C 14 h和收益率低的黄色沉淀。然后沉淀洗涤,在600°C 2 h和煅烧粉。H的差异₂C₂O₄和N₂H₄·H₂O SnO的差异造成的₂结构(40]。分级多孔球体由nanosheet而密集的球体形成光滑的表面。传感特性,粉末与有机混合车辆形式粘贴,然后沉积在衬底(40]。在他们的报告中,金等人层次和密集领域传感性能乙醇相比,H₂C₃H₈在400°C (40]。响应等级范围电影所有气体密度高于一个(40]。此外,等级范围比密集领域电影电影展示了更快的响应。这种现象的产生是由于孔隙度的等级范围,提供更多的表面扩散路径和更快的反应(40]。此外,等级范围的比表面积密度高于球(23]。

其他方法(e)。Dinan和阿克巴回顾一些增长的一维纳米结构的方法。其中,vapor-liquid-solid法SnO生长₂纳米线(41]。Dinan和阿克巴使用这种方法SnO生长₂纳米线。在他们的工作中,磁盘SnO₂是用作增长SnO源材料和基板₂纳米线。首先,非盟SnO催化剂沉积₂磁盘和退火700 - 800°C (41]。在这个温度下,去湿盟电影为纳米粒子的发生。然后包含非盟的基质纳米粒子被加热在700 - 800°C下H₂空气在一定的压力41]。在这个过程中,纳米线的SnO₂形成和曝光时间越长,时间越长纳米线的长度。Au纳米颗粒被观察到的纳米线(41]。非盟的存在是很重要的,因为它提供了网站生长纳米线。SnO₂将生长衬底以防有Au纳米粒子在衬底上。

卡尼等人在他们的报告试图结合TiO的优势₂和SnO₂通过混合他们(在传感性能42]。在他们的实验中,TiO₂和SnO₂与异丙醇混合使用球磨方法4 h (42]。异丙醇然后蒸发,导致混合粉。然后,粉末压实导致光盘在某些压力。TiO的磁盘₂还比较了混合。磁盘然后被烧结在1450°C, 1200°C 6 h和2 h。纳米纤维是由nanocarving过程(42]。在这种方法中,磁盘被加热在700°C下8 h h₂/ N₂的气氛。TiO₂sno₂烧结在1450°C 6 h表面显示了纳米纤维结构,而另一个在同一温度,烧结2 h丝毫没有纤维(42]。TiO₂sno₂烧结在1200°C 6 h和2 h没有显示纤维而形成槽粮食。H₂传感特性在400°C TiO的想法₂sno₂烧结在1200°C 6 h更敏感的h₂除了纯TiO比其他人₂。TiO₂sno₂比纯TiO更稳定吗₂。

还有其他一些合成方法,被用来产生SnO₂纳米结构。这些包括声化学的方法(43,44],微波辐射合成[45,46],template-assisted方法[47- - - - - -49],溶胶-凝胶法[50,51,微乳液52),电纺的技术(53],喷雾热解法[54),化学气相沉积(55,56],电弧等离子体源(57]。表1有一个评估的各种方法进行了讨论。

2.1.2。分解

合成SnO最近的一个发展₂纳米结构使用水溶剂,利用水热合成过程。与混合过程中,水解盐Sn前体和水之间发生的化学反应如下所示(25]:

在开放系统中,大部分的Sn(哦)₂水解成Sn^{2 +}(1)。与此同时,一些是氧化锡(OH)的降水₄(2)。Sn的一部分(哦)₂经历了水解过程,氧化SnO₂(3),加速热液作用[25]。当氢氧化钠催化剂插入Sn盐和水的前体溶液,Sn(哦)₄直接与哦⁻离子形式:

当经历高压蒸汽的热液作用,温度和高压分解成为水晶SnO₂所示(5)[25]。如果基质的分解过程,分解机制可以被描述为图中可以看到5。

3所示。SnO₂随着污染物气体传感器性能

用作半导体气体传感器的性能测量的灵敏度,响应时间和恢复时间。这些取决于有多少电子活动发生在半导体表面吸附氧物种的数量(O⁻和O²⁻从目标污染物气体。

3.1。气体有限公司

当CO气体检测与SnO执行₂,表面反应SnO₂公司与氧物种之间(O⁻和O²⁻)。公司与氧气反应物种给出如下(4]:

Firooz et al。24)报道,SnO的敏感性₂(片状、nanogranular nanoflower-like),它是由固态反应法,对CO气体工作温度的最大值275 - 300°C。当比较这三种形态的敏感性形式相同的煅烧温度为400°C,还有雪地₂nanoflower-like形式(16.78纳米晶粒大小)有更高的灵敏度。灵敏度的SnO₂nanoflower-like形式是71.5在250°C中的最高温度;薄片状的SnO₂灵敏度(19.26纳米晶粒大小)是17.7的温度大约在275°C,而对于nanogranular形态(晶粒大小为10.59海里)的最高温度是16 300°C。

在另一篇论文,Firooz et al。25)实验结果报道了纳米SnO的效果₂形态学CO气体灵敏度的敞口。比较表明,由此产生的SnO的奈米结构₂将产生不同形态的纳米尺度包括支持SnO₂(晶体大小128海里)、混合nanoflower-like、支持(晶粒大小62海里),nanoflower-like(晶粒大小39海里),cubic-like(晶体大小60海里),和nanosheet-like(颗粒大小26海里)。每个表单的敏感性和最大工作温度是38 300°C, 847在300°C, 1217在275°C, 73在300°C, 119在300°C。陆et al。57报道称,纳米多孔SnO₂最高灵敏度(45%)在1000 ppm CO气体暴露在它的表面。此外,这项研究表明,当SnO₂测试120小时,传感器功能仍然结果表明传感器具有良好的稳定性。

3.2。有限公司₂气体

当SnO₂是用来检测有限公司₂,SnO表面发生反应₂公司之间的₂气体和氧物种(O⁻和O²⁻)。方程(8)和(9)显示反应(4]:

上述反应影响金属氧化物气体传感器性能。烹调的菜肴等。26]报道SnO研究的结果₂敏感性对有限公司₂(100、300和700 ppm)。100 ppm时有限公司₂暴露在SnO₂灵敏度是0.05的最高温度303 K。300 ppm的有限公司₂灵敏度为0.09,温度为323 K,而对于700 ppm有限公司₂气体的灵敏度SnO₂0.18工作温度为343 K。

3.3。所以₂气体

类似于上面的解释,所以之间的反应₂气体和氧气发生在SnO物种₂表面上,如下所示(4]:

上述反应影响金属氧化物气体传感器性能。Das et al。28]报道了他们的研究对这一现象的结果。工作温度为350°C,还有雪地₂有不同的反应对不同浓度的百分比₂。在5 ppm所以₂浓度,SnO₂灵敏度成为20%。当浓度增加到100 ppm,灵敏度为37%。如果SnO₂添加为0.15 wt %钒,百分比响应,分别成为了47%和70%。

李等人。58在SnO也进行了实验₂与其他材料混合,即氧化镁(分别)和钒(V₂O₅),以及它们是如何影响₂气体检测表2显示MgO-mixed和V₂O₅混合SnO₂对所以性能结果₂气体检测。

3.4。没有_x气体

在任何_x气体检测SnO₂,表面没有之间的反应_x(没有₂,不,和N₂O)气体和氧物种(O⁻和O²⁻)如下所示4]:(我)没有₂气体, (2)天然气不, (3)对于气体N₂啊,

Khuspe et al。29日]关于SnO报告实验结果₂基于如此₂传感器在SnO₂敏感性为19%在100 ppm没有₂气体和工作温度为200°C。此外,恢复时间和响应时间不同,这取决于₂浓度(10、20、40、60、80和100 ppm)。没有就越大₂浓度,暴露于SnO₂,更短的响应都从30到7秒减少90%。恢复的时间增加了90%,从302年到1202秒。曹et al。30.发现SnO的百分比₂空心纳米纤维具有更好的响应对2 ppm₂天然气相比,平面SnO₂。空心SnO₂纳米纤维的敏感性为81.4%而平面SnO₂只达到了19.9%的最高工作温度为300°C。空心纳米纤维响应时间₂气体浓度为0.5;1;和2 ppm是79,57岁和55秒。此外,对于SnO₂56岁的平面,结果是96和55秒。

金泽et al。9)研究的SnO₂纯金属氧化物半导体是最好的N₂O气体传感器。关于SnO₂性能对N₂O气体敏感性,结果显示1.66%至300 ppm N₂O操作温度为450°C。敏感性增加到4.5%在500°C的温度在“0.5 wt % SrO”补充说,虽然响应时间成为180秒。表3提供了一个总结SnO₂性能对污染气体。

4所示。对传感机制

4.1。气体吸附在SnO₂表面

吸附表面的金属氧化物的过程中影响金属氧化物气体传感器的工作机理。一般来说,有两种类型的反应发生在金属氧化物的表面。一个是目标气体的分子之间的反应和preabsorbed氧(4]。氧气吸收金属氧化物表面的电负性高,然后SnO吸附氧气作为一个陷阱₂导带的电子。因此,增加能量势垒。表面发生的化学反应是氧化还原反应的氧气体,,,或(4]。

金属氧化物的表面发生过程取决于气体的类型和半导体的类型。SnO₂是一种n型金属氧化物半导体。交互发生在这种类型涉及到传导带和金属氧化物表面。因为气体吸附过程的类型取决于还原或氧化气体的过程中,氧是最初吸附表面的金属氧化物在空气中加热后。氧离子被吸收,,,。这个过程可能发生的帮助下从导带电子俘获的金属氧化物。运动学的吸附是由以下反应[描述4]:

氧化气体的吸附过程的SnO₂n型半导体,电子吸收气体和导致离子气体。然后,氧化气体离子捕获氧离子(,,或)和随后的电子稳定成为一个稳定的气体(4]。结果是一个新的稳定的气体和释放。氧离子吸收的SnO₂表面进行进一步处理。反应可以解释下列反应:

在气体减排,还原过程始于氧离子的减少(,,或从表面的SnO)₂。吸附氧离子使气体变得不稳定,直到触发气体释放电子,以再次成为稳定。驱逐电子气体吸收SnO的表面₂。一般来说,气体吸附的运动学过程可以解释下列反应: SnO吸附或释放电子的过程₂导致其电阻率的变化(4,5,8]。

4.2。带隙

材料带隙影响这些化学物质的电特性。之间的带隙位于价带和导带。两个乐队之间的差距是一个函数的能量,费米能级,它描述了电子能级存在在一个给定的温度下(5,8]。

基于带隙理论、材料分为三类:绝缘体,导体和半导体。绝缘子最大的宽带差距,导致一个能级的电子不能移动。宽的带隙的绝缘子是超过10 eV。把电子从绝缘子材料需要巨大的能量。半导体的带隙能量范围的0.5到4.5 eV,以便办理以下这些值是不可见的。高于费米能级,电子可以填补这一传导带导致半导体材料的导电率的增加。正常情况下,导线的费米能级低于导带(5,8]。

带隙理论也被运用于工作机制的SnO气体传感器₂有带隙3.6 eV (24,31日- - - - - -37]。目标气体与金属氧化物表面,通常通过氧离子的吸附,结果导致材料的浓度的变化。电荷浓度的变化影响电导率或电阻率的材料。大多数的n型半导体电荷载体是电子,而p型是一个积极的洞。在SnO₂中,电荷载体是电子(包括本身n型半导体)。

在金属氧化物气体传感器的传感机理,氧气化学吸收作用成为重要的现象。在环境空气,氧气分子吸附在表面的金属氧化物和变换氧离子俘获电子传导带的金属氧化物。电子可以从金属氧化物转移到氧气分子只有躺最低未占据分子轨道的O₂复杂的谎言低于费米能级。当氧吸附到表面,负表面电荷形成和创建电子耗尽区。氧的ion-sorption创建一个受体水平向上弯曲的乐队。这个弯曲成正比的内置传感器的潜在增加的阻力。内置的潜在可以改变气体的存在。减少气体存在时,气体将与氧离子反应和释放电子传导带,内置的潜力,减少并导致阻力降低。氧化气体存在时,气体会与氧离子反应,使用电子在一起,造成内置的潜在的阻力增加,导致增加(59,60]。带隙的变化前后的气体可以看到图6。

提高灵敏度的SnO₂可以通过修改带隙(61年]。SnO₂可以修改或混合与其他氧化物如氧化锌、TiO吗₂、措构建pn结或n n结(61年]。这些方法被证明增加金属氧化物气体传感器的传感性能。

4.3。电子转移

的基本机制,创建响应金属氧化物半导体目标气体仍然争论不休;然而,电子吸收分子的捕获过程和随后的能带弯曲是由于电荷的分子(这些分子是理解负责电导率的变化)(62年]。负电荷被困在氧物种导致能带弯曲曲线向上,揭示材料的导电率相比,能带弯曲在正常情况下(62年]。图7表明,当O₂分子吸附在金属氧化物表面,他们将提取电子从导带抓住他们表面上以离子的形式。这将推动能带弯曲并创建electron-depleted地区。Electron-depleted地区也被称为出发层,厚度的能带弯曲区域的长度(62年]。反应氧物种之间和减少气体可以恢复能带弯曲,导致增加导电性的金属氧化物。O的数量⁻变得过度在温度300 - 400°C,大多数金属氧化物气体传感器的工作温度(62年]。

5。结论

SnO₂作为气体传感器已经在不同形态的形式,简要探讨合成方法,并对某些敏感目标气体。在SnO₂纳米结构,最简单的方法是为基础的解决方案合成方法,特别是水热合成方法。通过这种方法,参数的过程中形成纳米结构很容易调节,对环境安全,盐前体,可以溶解。SnO制造的₂,SnCl广泛使用的前兆₂h·2₂O和SnCl₄h·5₂O与氢氧化钠作为催化剂。

SnO₂半导体性能(n型)对许多气体进行了研究。本文综述了污染物气体有限公司有限公司₂,所以₂,没有_x。对CO气体,最佳的性能由nanoflower-like SnO显示₂灵敏度119%,温度为300°C。不幸的是,对于这些数据,响应和恢复时间不显示。为有限公司₂气体,SnO₂在室温下显示最佳的性能。对100 ppm有限公司₂气体灵敏度为0.05 (303 K)和300 ppm有限公司₂灵敏度为0.09 (323 K),而对700 ppm有限公司₂气体灵敏度的SnO₂0.18 (343 K)。这些数据还不包括响应和恢复时间。这么₂气体,SnO₂与采用混合或V₂O₅的成分比10:1显示最佳的性能。其灵敏度为51.3和恢复时间(40%)是1940秒,而其他恢复时间(70%)没有显示。没有₂气体,由SnO显示最佳的性能₂空心纳米纤维的百分比是81.4%,最高工作温度为300°C。与此同时,对没有响应时间₂气体浓度为0.5;1;和2 ppm,分别为空心纳米纤维的形貌,79年,57岁和55秒。对于后者气体,N₂O, SnO的敏感性₂“,一个额外的0.5 wt % SrO”,所以₂天然气是4.5%工作温度为500°C和响应时间是180秒。了,对于大多数SnO₂气体,工作温度超过250°C。相对较高的温度需要纠正现实世界应用程序通过降低它的温度。向SnO添加其他物质,如金属氧化物₂可以降低工作温度。也可以开发SnO之一₂在各种形态的形式,如空心SnO的形式₂纳米纤维,nanosheet、奈米棒或nanoneedle。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。