二氧化锡纳米气敏材料的研究进展(2)
本文以文献和现有理论为依据，阐述二氧化锡气敏材料的制备技术以及掺杂对材料气敏性的影响、气敏性机理等。首先分析金属氧化物的表面性质和表面过程,然后分析SnO2半导体气敏传感器作用机理，并以此为基础,提出一些改善气体传感器性能的措施。从过去人们对二氧化锡材料的认识、研究和应用状况的调查开始，到随着科学技术的发展，特别是对纳米材料和膜材料的研究，使得二氧化锡纳米材料的发展得到了新的研究高度。
1 二氧化锡的结构与性质
SnO2存在两种晶体结构，即四方晶系的金红石相结构和正交晶系结构。通常,正交晶系结构很不稳定，仅在高温下出现。因此，最常见和最广泛使用的是金红石相结构。金红石型的SnO2属于四方晶系,晶格常数为a=4.738Å，c=3.187Å。它属于P4mn/m空间群，每个晶胞由两个Sn和四个O原子组成，如图1所示，每个锡原子位于吹冰个氧原子构成的八面体的中心。
图1四方金红石相二氧化锡的晶体结构示意图
Fig.1 The crystal structure of tetragonal rutile SnO2
二氧化锡是一种重要的宽禁带的n-型半导体材料[3-6]，其禁带宽度大约为3.65 eV，它具有良好的透光性,在可见光区域的光透明度可达到97%。同时，一般未掺杂的二氧化锡具有高的载流子浓度，可达1020 cm-3，这可以与半金属比较(1017~1020 cm-3)。与GaN和ZnO相比，二氧化锡具有更大的激子束缚能(SnO2为130 meV，ZnO为60 meV)。由于它具有良好的透光性、电池化学性能稳定以及室温下抗酸碱能力强、紫外吸收系数大、电阻率低等优点，己被广泛地应用于太阳能、电热材料、气敏元件、电极材料、光学玻璃以及自旋电子器件等领域。
2 气体传感器的研究意义
在国外，各发达国家都将传感技术看作现代高新技术发展的关键。从20世纪80年代起，日本就将传感器作为人类探知自然界信息的触角，它可以把人类需要探知的非电量信息转化成可以测量的电量信息，这为人类认识和控制相应的对象提供了条件和依据。传感器技术作为现代信息技术的核心之一，将成为人们在高科技发展方面争夺的焦点，西方国家也将传感技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。气体传感器是传感器领域的重要枝干，传感技术被列为应优先发展的十大技术之最，因为它可以接收到外界的气体信息，并且按照既定的规律转变成可以测量到的信息。气体传感器有着非常广的应用前景。追溯至1962年，Seiymaa和Taguchi已经分别报道了利用金属氧化物来检测具有还原性质的气体这一研究[7,8]，在1968年，还推出了第一个用于检测室内气体泄漏情况的、商品化的氧化锡气体传感器（TGS)。伴着材料科学、人工智能、生命科学等这些学科的发展,在气体传感器领域也取得了很大的进步，这在日常生活和工作中都得到了产泛的应用，出现了许多实用的产品:如Aomasca：英国的“数字气分析系统”；Apha MOSSA：法国的Fox 2000和Neotronic Scientific Ltd；英国的NOSE等一些产品[9]。气体传感器的应用范围越来越广[10]，在食品工业方面,如原料的保质、烧制过程，对监测、发酵控制、食物贮存的研究，在产品与包装的相互作用、肉类的新鲜度、果汁鲜度、过程控制、禽类沙门氏菌的探测等都用到气体传感器。在其它方面，比如汽车尾气的快速测定、大气的监测、特定火灾现场气氛的监测、有毒气体的检测、军事国防(生化武器) 、航空航天等，也越来越显示出了气体传感器的重要作用。近年来，人们的生活水平逐渐提高，对医疗保健也越来越关注,也就更希望寻到一种没有伤害、准确度高的检测方法。所以，利用呼吸气体进行疾病的诊断，近年来己经成为国际上研究的焦点。总而言之，气体传感器正在工业、医疗、家庭等区域迅速发展。
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