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物理化学学报  2016, Vol. 32 Issue (5): 1087-1104    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201602224
综述     
金属氧化物异质结气体传感器气敏增强机理
唐伟,王兢*()
Enhanced Gas Sensing Mechanisms of Metal Oxide Heterojunction Gas Sensors
Wei TANG,Jing WANG*()
 全文: PDF(4226 KB)   HTML 输出: BibTeX | EndNote (RIS) |
摘要:

金属氧化物异质结由于费米能级效应、不同组分之间的协同作用,常被用来提高电阻型金属氧化物半导体气体传感器的气敏特性。本文简述了近年来国内外金属氧化物异质结材料的类别,主要分为混合氧化物结构、层状结构、第二相粒子修饰结构、一维纳米结构和核-壳结构;重点综述了金属氧化物异质结的气敏增强机理,包括异质结效应、协同效应、催化溢流效应、响应反型、载流子分离及微结构调控六大机理;分析了当前异质结气体传感器面临的瓶颈。最后对纳米异质结气体传感器的发展进行了展望,今后金属氧化物异质结气体传感器可以从明确异质结界面机理展开,这将为自下而上地设计出符合实际需要的气体传感器提供一定参考。

关键词: 金属氧化物异质结协同效应溢流效应响应反型载流子分离微结构调控    
Abstract:

The metal oxide heterojunction has often been used to improve the gas sensing properties of resistive metal oxide semiconductor gas sensors. Metal oxide heterojunctions have been demonstrated to have many unique properties such as Fermi-level mediated charge transfer effects as well as synergistic behavior of different components. In this short review, we summarize the fundamental types of metal oxide heterojunction materials reported in domestic and foreign research in recent years. Metal oxide heterojunctions are mainly divided into five categories of mixed composite structures, multi-layer films, structure modified with a second phase, 1D nanostructure and core-shell structure. We review the enhanced gas sensing mechanisms of metal oxide heterojunctions. These mechanisms are discussed in detail, including the role of the heterojunction, synergistic effects, the spill-over effect, response-type inversion, separation of charge carriers, and microstructure manipulation. We also analyze the remaining challenges of metal oxide heterojunction gas sensors. Finally, we provide an outlook for future development of metal oxide heterojunction gas sensors. The future research directions of metal oxide heterojunction gas sensors can be developed from the definition of heterojunction interface mechanisms. It is hoped that determining the heterojunction interface mechanisms will provide some reference for the design of needed gas sensors in a bottom-up route.

Key words: Metal oxide heterojunction    Synergistic effect    Spill-over effect    Response type inversion    Separation of charge carrier    Microstructure manipulation
收稿日期: 2015-11-16 出版日期: 2016-02-22
中图分类号:  O649  
基金资助: 国家自然科学基金(61574025);国家自然科学基金(61131004)
通讯作者: 王兢     E-mail: wangjing@dlut.edu.cn
作者简介: 唐伟,1989年生。2011年本科毕业于哈尔滨理工大学应用科学学院电子科学与技术专业,2011年至今为大连理工大学电子科学与技术学院微电子学与固体电子学专业全日制非定向博士研究生。主要研究方向为金属氧化物气体传感器的制备及其气敏机理研究。参与国家自然科学基金2项|王兢,1955年生。1978年本科毕业于吉林大学电子工程系,1981年硕士毕业于吉林大学电子工程系,现为大连理工大学电子科学与技术学院博士研究生导师、教授。主要研究方向为化学传感器制备及应用。主持国家自然科学基金5项
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唐伟
王兢

引用本文:

唐伟,王兢. 金属氧化物异质结气体传感器气敏增强机理[J]. 物理化学学报, 2016, 32(5): 1087-1104.

Wei TANG,Jing WANG. Enhanced Gas Sensing Mechanisms of Metal Oxide Heterojunction Gas Sensors. Acta Physico-Chimica Sinca, 2016, 32(5): 1087-1104.

链接本文:

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201602224        http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2016/V32/I5/1087

Material type Reducing gas Oxidizing gas Dominant charge carrier
n-type resistance decrease resistance increase electron
p-type resistance increase resistance decrease hole
表1  n型和p型材料对还原性、氧化性气体的响应特性
图1  空气中n型SnO2吸附氧后的势垒示意图
图2  (a, b) α-Fe2O3@SnO2核壳纳米棒TEM图和(c, d) α-Fe2O3@SnO2核壳纳米棒中电子传输示意图104
图3  (a) NiO/SnO2随机分散示意图;(b)p型NiO/n型SnO2异质结能带图106
图4  In2O3/SnO2异质结微结构的生长示意图108
图5  (a) In2O3/SnO2异质结微结构及机理示意图;(b)传感器交流阻抗谱图108
图6  CuO-SnO2复合纤维对H2S的响应机理示意图110
图7  (a) CuO-ZnO复合纤维对H2S的气敏机理示意图;(b) CuO-ZnO复合纤维晶粒尺寸对H2S的气敏特性影响26
图8  (a) Sn前驱体涂覆的Ni球的TEM图;(b) 400 ℃热处理1 h之后形成的SnO2-Ni球的TEM图;(c-f)去除Ni核之后形成的SnO2空心球的SEM、TEM图;(g)图(e)的高倍TEM图;(h) SnO2壳的晶格图;(i) SnO2 (101)和(110)晶面的晶格间距111
图9  (a) NiO修饰的SnO2空心球的动态响应图;(b)气敏反应机理示意图111
图10  (a, b) ZnO改性的SnO2纳米棒的TEM图,内插图为ZnO和SnO2纳米晶粒的SAED图;(c)两个相邻的ZnO改性的SnO2纳米棒之间的EDX线扫描能谱图102
图11  (a)旋涂法和(b)纳米束沉积法制备的ZnO改性的SnO2纳米棒阵列的气敏响应示意图102
图12  晶粒尺寸对金属氧化物气体传感器响应的影响示意图130
图13  n型SnO2纳米线和p型CuO修饰的SnO2纳米线的势垒及导电通道变化示意图115
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