前言

如今，许多研究人员关注气体传感器。这是因为气体传感器在燃料电池，汽车工业(检测汽车尾气中的NO2)，矿业(检测甲烷)，化肥工业检测NH3和呼吸分析中有多种应用。因此，为了生产高质量的气体传感器，必须考虑低成本、低功耗、高灵敏度、便携性和小尺寸的气体传感器。对于小尺寸气体传感器，许多研究人员试图开发纳米结构材料，以提高气体传感性能。这是因为纳米结构材料具有大表面积、小尺寸、形状可控、化学成分和理化稳定性。一般来说，金属氧化物可以用于气体传感应用，因为它们具有优异的性能，如高传感响应，长期稳定性和易于制备。当氧分子被这些类型的材料吸收时，氧通过为MO的导带捕获电子而电离，导致表面耗尽层的形成和更高的电阻。MO基气体传感器有不同类型，包括不同形貌的二氧化锡、二氧化钛、氧化锌、WO3和氧化铁。其中，氧化锌纳米结构由于其优异的传感响应、良好的选择性、低成本、易制备、良好的热稳定性和化学稳定性以及无毒等优点，被广泛用作气体传感器。此外，氧化锌是本征n型半导体，具有3.37电子伏的宽带隙和60兆电子伏的大激子结合能。

研究内容

在这项工作中，铬被用作杂质，以提高氧化锌传感器的性能。使用Cr3+离子掺杂的氧化锌，有助于提高效率。因为，Cr3+离子的半径(0.062纳米)与Zn2+离子的半径(0.072纳米)几乎相同。Cr3+离子可以取代氧化锌化合物中的Zn2+离子，Zn2+离子在掺杂氧化锌时会引入大量电子。高性能气体传感器是在室温紫外光下实现的。传感增强可归因于紫外激活和铬掺杂。

实验方法

将5毫克掺铬氧化锌粉末与1毫升无水乙醇混合，并将混合物超声30分钟。然后，在50℃的温度下，将所有混合物滴在1 cm × 1 cm的交错电极上。膜的厚度约为50 um.。使用具有透明窗口的双向气体测试室进行气体传感测量。紫外灯设置在透明窗口旁边的腔室外部。传感器被放置在测试室的中心。在以200 sccm的流速流入测试室之前，NH3气体和空气在管中混合在一起。然后，测量传感器的电阻，直至其稳定(电阻无变化)。NH3的浓度通过NH3流速相对于空气零流速来调节。在室温、湿度为44-46%的紫外线照射下，使用10-50 ppm的NH3对传感器进行测试。用数字万用表测试气体响应，数字万用表连接到个人计算机以处理数据。

气体传感测量系统示意图。

不同铬含量的掺铬氧化锌的XRD图谱。

不同掺铬氧化锌纳米粒子的光学带隙。

氧化锌和所有掺铬氧化锌纳米粒子的荧光光谱。

结论

水热法成功合成了未掺杂氧化锌和掺铬氧化锌纳米粒子。XRD结果表明，所有样品都显示出相同的衍射峰，这些衍射峰被索引为六方纤锌矿结构，并且在图案中没有出现杂质峰。铬掺杂不仅增加了紫外-可见吸收，还降低了能带隙。在传感方面，铬掺杂提高了灵敏度，降低了响应和恢复时间。在本研究中，3mol%的掺铬氧化锌表现出最好的传感材料性能。

https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112230。