摘要
氧化铟(In2O3)是一种宽带隙（直接带隙为3.6eV）的n型金属氧化物半导体，具有导电性高、稳定性好和无毒无害的特点，在气敏传感器领域具有广泛的应用潜力。但是单一的In2O3材料也存在灵敏度低、选择性差和工作温度高等缺点，无法满足人们对高性能气敏传感器的需求。本文以In2O3作为主要研究对象，首先构筑了具有高比表面积的In2O3分级微球，进一步通过Zn掺杂、In2O3/SnO2异质结复合和Au纳米颗粒修饰等方法对In2O3分级微球进行复合调控，详细讨论了In2O3复合纳米材料的结构、组分与传感器气敏性能之间的关系。具体研究内容如下： （1）首先制备纳米片组装而成的In2O3分级微球，研究退火温度对In2O3分级微球的形貌结构和气敏性能的影响；进一步对In2O3分级微球进行Zn掺杂，研究掺杂浓度与形貌结构和气敏性能之间的关系。研究发现，随着退火温度的升高，分级微球的纳米片层结构逐渐被破坏，在350℃下退火的In2O3分级微球具有最佳的气敏性能，对20ppm正丁醇的灵敏度为16，这主要是由于此时较大的比表面积提供了更多的活性位点。当参与反应的Zn/In原子百分比为3%时，掺杂In2O3分级微球具有最佳的气敏性能。与未掺杂In2O3分级微球相比，其最佳工作温度显著下降，对20ppm正丁醇的灵敏度也提升了约10倍达到169，响应恢复时间也大幅缩短，表现出良好的选择性和稳定性。Zn掺杂引入的缺陷导致材料表面氧空位增加是气敏性能提升的关键因素。 （2）利用液相沉积法对In2O3分级微球进行纳米晶SnO2壳层包覆，制备了In2O3/SnO2复合分级微球，并研究了反应时间与复合分级微球的形貌结构和气敏性能之间的关系。研究结果表明，经过适量的SnO2壳层包覆，In2O3/SnO2复合分级微球具有最佳的气敏性能，对20ppm正丁醇气体的灵敏度高达359，为单一In2O3分级微球灵敏度的22.4倍。这种气敏性能的提高主要归因于两种材料的协同效应以及异质结界面势垒的形成。 （3）对In2O3分级微球进行Au纳米颗粒修饰，研究Au纳米颗粒的负载量与分级微球气敏性能之间的关系。研究表明，Au纳米颗粒修饰的In2O3分级微球的气敏性能显著提升，其中质量比为3%的Au纳米颗粒修饰In2O3分级微球的气敏性能最佳，对20ppm正丁醇的灵敏度高达396，是单一In2O3分级微球灵敏度的24.8倍。Au纳米颗粒的贵金属“增感效应”是气敏性能提升的主要原因。
NETL