自全球變暖加劇以來，由于對自然和人類的影響，導致全球變暖的氣體一直受到監測。臭氧（O?）是造成全球變暖的氣體之一，它是一種淡藍色的氣體，具有獨特的刺激性氣味。過量接觸臭氧氣體會導致嚴重的健康問題，如肺部疾病和呼吸系統問題。因此，在盡可能低的氣體濃度下檢測臭氧是非常必要的。
據麥姆斯咨詢報道，近日，高雄科技大學的研究團隊使用了4種不同濃度的銻（Sb）摻雜ZnO，以比較氣敏性能的最佳參數。采用水熱法合成了Sb/ZnO納米結構，并將其沉積在微機電系統（MEMS）微加熱器上。由于Sb作為催化劑促進了氣敏性能，與純ZnO氣體傳感器相比，Sb/ZnO傳感器的響應得到了增強。相關研究成果以“Enhanced ozone gas detection with Sb doped ZnO nanorods synthesized on MEMS microheater”為題發表在Sensors and Actuators Reports期刊上。
Sb/ZnO的沉積是通過水熱合成進行的，這是一種廣泛應用的合成方法，具有靈活性、易操作性、易控制性和最大的有效性。Sb元素在其構型中有3個價電子，在其三價態下，Sb可以取代ZnO晶格，從而增加一個額外的電子用于傳導，這使其對氣體傳感應用更具吸引力。研究人員利用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和X射線光電子能譜（XPS）分析研究了Sb和ZnO的結構形貌和氧化態。
Sb/ZnO的XRD分析
Sb/ZnO的SEM俯視圖
以臭氧為主要測試氣體，用所有摻Sb的ZnO傳感器進行了氣敏響應。工作溫度范圍從最低150°C到最高250°C，臭氧氣體濃度從最低50 ppb到最高250 ppb。在所有的氣敏特性中，在大多數工作溫度條件下，7 mM Sb摻雜ZnO傳感器顯示出比任何其他摻雜濃度都高的傳感響應。在200°C的最佳工作溫度、1 ppm濃度下，7 mM Sb摻雜ZnO對臭氧氣體具有最佳的傳感響應。
每個Sb摻雜ZnO氣體傳感器在不同溫度下的氣敏響應
在金屬氧化物半導體傳感器中，氣體傳感機理主要基于表面化學吸附現象來解釋。Sb摻雜ZnO的傳感增強機理是由于Zn離子被Sb離子取代，從而產生了更多的表面反應。
氣體傳感機理
總而言之，這項工作研究了水熱合成的Sb摻雜ZnO納米結構的各種結構和傳感特性。結構性能顯示成功沉積了Sb和ZnO元素，不存在雜質。在50 ppb至250 ppb的非常低的濃度下測試臭氧氣體的傳感特性，并使用7 mM Sb摻雜ZnO氣體傳感器增強了傳感性能。發現最佳工作溫度為200°C，與多種其它氣體相比，該傳感器對臭氧氣體具有高選擇性。Sb摻雜ZnO的傳感增強機理是由于于Zn離子被Sb離子取代，產生了更多的表面反應。從產生的數據分析來看，這項研究可用于開發高質量的臭氧氣體傳感器。
論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.snr.2024.100191
