摘 要： TiO2氣敏傳感器具有工作溫度低、靈敏度高、響應(yīng)速度快、制備簡單等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。本文概述了TiO2材料的導(dǎo)電類型和氣敏機(jī)理，介紹了TiO2氣敏傳感器兩個(gè)方面的研究進(jìn)展：運(yùn)用傳統(tǒng)摻雜方法和利用納米技術(shù)改善傳感器性能；展望了TiO2氣敏傳感器今后的研究和發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞：氣敏傳感器；二氧化鈦；金屬氧化物半導(dǎo)體；氣敏機(jī)理；納米傳感器 一、引 言 近年來，煤礦爆炸、家居燃?xì)馐鹿蕰r(shí)有發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了極大的損害，另外大氣污染問題日益嚴(yán)重，汽車尾氣及工業(yè)設(shè)備中氣體的排放成為重要的污染源。為了有效地控制這些氣體的排放，人們采用氣體傳感器來檢測這些氣體的含量。在檢測系統(tǒng)中，因?yàn)閷捊麕У膎型金屬氧化物氣敏傳感器具有成本低、靈敏度高、易操作和控制、易與微電子系統(tǒng)兼容[1]等優(yōu)點(diǎn)而日益受到重視。這種用作傳感材料的n型寬禁帶金屬氧化物有SnO2、Fe2O3、TiO2、In2O3、WO3等[2]。其中最先投入生產(chǎn)、并廣泛應(yīng)用的是SnO2氣敏材料。但是，隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)TiO2氣敏材料具有工作溫度低、性能好、制備簡單等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)[3]，因此逐漸成為人們關(guān)注的另一個(gè)熱點(diǎn)。本文從TiO2材料的結(jié)構(gòu)出發(fā)，綜述了TiO2的氣敏機(jī)理、當(dāng)前的研究進(jìn)展及存在的問題，并對今后的發(fā)展進(jìn)行了展望。 二、TiO[sub]2[/sub]傳感材料的導(dǎo)電類型 實(shí)際的晶體并非如理想晶體那樣具有嚴(yán)格的周期性。在晶體中，原子在其平衡位置附近做微小振動(dòng)。這種振動(dòng)使其熱振動(dòng)的能量出現(xiàn)漲落，原子一旦獲得足夠大的動(dòng)能，就可能脫離正常位置，跳到鄰近原子的間隙中去，形成填隙原子，并在相應(yīng)位置形成一個(gè)空位[4]。這種點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生在氧化物材料的禁帶中引入缺陷能級，使得電子可以比較容易的從缺陷能級躍遷到導(dǎo)帶，或由價(jià)帶躍遷到缺陷能級，使本來具有很高電阻率的金屬氧化物表現(xiàn)出半導(dǎo)體性能[4, 5]。 對TiO2來說，純化學(xué)計(jì)量比的TiO2的導(dǎo)帶中并沒有電子，其導(dǎo)帶低能級主要是鈦離子3d軌道電子的貢獻(xiàn)，價(jià)帶頂能級主要是氧離子2p軌道電子的貢獻(xiàn)。其帶隙寬度約為3.0eV～3.20eV，因此在室溫下，純化學(xué)計(jì)量比的TiO2具有很高的電阻率[6, 7]。當(dāng)存在一定的壓力和溫度時(shí)，由于熱平衡條件的要求，TiO2的組分對化學(xué)計(jì)量比就會有較大偏離[4]，產(chǎn)生一定濃度的點(diǎn)缺陷。例如在真空爐內(nèi)還原TiO2，在較低氧分壓下處理會得到大量的氧空位，或出現(xiàn)大量的鈦填隙?？捎猛ㄊ絋iO2-δ表示偏離化學(xué)計(jì)量比的TiO2，其中δ≠0，其的原因是氧不足出現(xiàn)氧空位或鈦過剩存在鈦填隙原子[6]。 TiO2屬于離子晶體，在離子晶體中，離子缺陷都是帶電的，填隙原子帶有本身的電荷；而對離子空位來說，由于在正常的電荷分布中缺少了相應(yīng)的電荷，所以空位就相當(dāng)于帶有相反符號的有效電荷。這種填隙原子或空位等缺陷的引入造成了過量的某種電荷，為滿足離子晶體電中性的要求，帶電空位點(diǎn)缺陷就會捕獲與其相反有效電荷號，從而改變其帶電狀態(tài)。在TiO2材料中，主要是氧空位起作用[5]，氧空位屬于負(fù)離子空位，帶正的有效電荷，它捕獲電子變?yōu)橹行缘臓顟B(tài)稱為類施主狀態(tài)，它可以提供電子，所以TiO2材料的導(dǎo)電類型一般是n型。但研究發(fā)現(xiàn)這種氧化物半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型還與氧分壓有關(guān)[8]；另外，摻雜可改變TiO2材料的導(dǎo)電類型，如在TiO2中摻雜Cr，控制Cr的摻雜濃度和樣品的熱處理溫度可以得到轉(zhuǎn)化為p型導(dǎo)電類型的TiO2傳感材料[9]。 三、TiO[sub] 2[/sub]氣敏傳感器的氣敏機(jī)理 用TiO2作為傳感材料的傳感器對待測氣體的識別首先是由表面發(fā)生氧吸附導(dǎo)致的。氧氣具有很強(qiáng)的吸附性，吸附的氧首先是以物理吸附的形式存在于TiO2表面，當(dāng)其獲得一定的激活能，進(jìn)入化學(xué)吸附形式?；瘜W(xué)吸附的氧一般具有三種形式，具體為哪種形式是由環(huán)境溫度決定的。實(shí)驗(yàn)研究表明：在低溫下，氧化物表面是以“分子離子”形式存在的，隨著溫度的升高就轉(zhuǎn)變成“原子離子”的形式存在，在450K以上，表面吸附氧以 占優(yōu)勢[10]。在這個(gè)過程中空氣中的氧奪取表面電子變成化學(xué)吸附氧，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程為： 氧吸附變?yōu)檠蹼x子，電子將從體內(nèi)轉(zhuǎn)移到表面，體內(nèi)和表面就偏離了電中性，感應(yīng)出空間電荷層，產(chǎn)生能帶彎曲?？臻g電荷層的出現(xiàn)使表面載流子數(shù)目減少，從而導(dǎo)致材料的電阻升高。事實(shí)上，式（1）只是表面反應(yīng)的簡單描述，這個(gè)反應(yīng)也可借助來完成。但通常的化學(xué)活性較高，而且在中等溫度范圍內(nèi)易脫附成不易參與反應(yīng)。這種吸附的氧離子作為電子受主態(tài)存在于帶隙之中，并定域在材料的表面[12]，當(dāng)環(huán)境氣氛中存在還原性氣體R時(shí)，預(yù)吸附的氧就與還原性氣體在傳感材料表面發(fā)生如下反應(yīng)： 還原性氣體與表面預(yù)吸附的氧離子反應(yīng)，移走一個(gè)電子釋放回導(dǎo)帶，使得TiO2材料電導(dǎo)升高，起到傳感的作用。 四、TiO[sub] 2[/sub]氣敏傳感器的研究進(jìn)展 氣敏傳感器的性能指標(biāo)主要包括靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、選擇性、可靠性和穩(wěn)定性。目前對TiO2氣敏傳感器的研究主要在于兩個(gè)方面：一是通過傳統(tǒng)的摻雜、改進(jìn)制備等方法來改變材料的性質(zhì)，從而改善傳感性能；二是利用正在飛速發(fā)展的新興納米技術(shù)，制作納米顆?；蚣{米管傳感器來大幅度改善傳感器性能。 1、傳統(tǒng)研究方法 金屬氧化物半導(dǎo)體表面會發(fā)生均勻反應(yīng)和不均勻反應(yīng)。當(dāng)沒有催化劑存在時(shí)，氣體在氧化物表面發(fā)生均勻反應(yīng)，在有催化劑存在時(shí)則發(fā)生不均勻反應(yīng)。均勻反應(yīng)所需的能量大于不均勻反應(yīng)，因此適當(dāng)?shù)膿诫s可加快反應(yīng)速度以及降低工作溫度。另外，材料的表面結(jié)構(gòu)和形貌對傳感器的性能也有影響，如用燒結(jié)體、薄膜、單晶或多晶材料制作的氣敏傳感器的靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性有顯著的差別。傳統(tǒng)上一般通過摻雜以及改進(jìn)制備方法來改善傳感器的靈敏度和選擇性[13]。 摻雜的物質(zhì)有貴金屬如Pt，Pd等，還有稀土元素，鑭系元素等。目前傳感器的工作溫度都比較高，而在高溫下TiO2最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)是金紅石結(jié)構(gòu)，因此通常選用金紅石結(jié)構(gòu)的TiO2作為傳感材料。但是，純的TiO2經(jīng)過熱處理轉(zhuǎn)變成金紅石結(jié)構(gòu)后，晶粒顯著增大，這極不利于識別待測氣體。研究發(fā)現(xiàn)，在TiO2中引入某些外來原子，如Cr、Nb、Ta、La、Mo[14-17]等可以控制兩相轉(zhuǎn)化后TiO2的晶粒大小。Comini等人[17]研究了Mo摻雜TiO2薄膜的特性，他們采用RF磁控反應(yīng)濺射在50%Ar＋50%O2的氣氛中將0.5%Mo摻雜的TiO2薄膜沉積在（100）取向的單晶硅片上，分析薄膜的表面形貌和結(jié)構(gòu)。測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)600°C熱處理的薄膜的晶體結(jié)構(gòu)為銳鈦礦與金紅石混合的結(jié)構(gòu)，平均晶粒大小大約是31 nm。800°C熱處理后發(fā)現(xiàn)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化為金紅石相結(jié)構(gòu)。Mo摻雜對晶粒大小的控制效果比先前報(bào)道的W摻雜的效果更好。 Ta、La、Nb和Cr等金屬摻雜后能夠有效的控制TiO2兩相轉(zhuǎn)變時(shí)晶粒的大小，但是隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)仍然存在問題：這些金屬的摻雜對銳鈦礦向金紅石的轉(zhuǎn)化有阻礙作用，使轉(zhuǎn)化的熱處理溫度升高。 Carotta等人[18]在此基礎(chǔ)上在TiO2中摻入V，發(fā)現(xiàn)V摻雜不僅可以控制晶粒的大小，而且能促進(jìn)兩相的轉(zhuǎn)變。他們在研究中對Ta摻雜的樣品和V摻雜的樣品進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，經(jīng) 650°C煅燒后的純的TiO2樣品或Ta摻雜的樣品具有銳鈦礦結(jié)構(gòu)，晶粒大小為30nm～50nm。通常850°C下煅燒純的TiO2樣品后已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石結(jié)構(gòu)，但是它的晶粒大小卻顯著增加，約400nm。同樣在這個(gè)溫度下煅燒添加Ta的樣品時(shí)，沒有發(fā)現(xiàn)晶粒變大的跡象。但是Ta摻雜的樣品在這個(gè)溫度下煅燒后，仍有銳鈦礦結(jié)構(gòu)存在。與之相比較，V摻雜的樣品不僅未發(fā)現(xiàn)晶粒變大跡象，而且在650℃煅燒下，樣品就已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石型結(jié)構(gòu)。 Ruizd等人[19]的研究同樣也解決了這個(gè)問題，他們用sol-gel法在制備TiO2過程中同時(shí)加入La和Cu，結(jié)果表明，在TiO2中摻入La后，兩相轉(zhuǎn)變延遲，直到800℃仍然存在銳鈦礦結(jié)構(gòu)。但La摻雜卻可以控制晶粒的大小，其中10%La摻雜的樣品晶粒大小是7nm，5%La摻雜樣品晶粒大小是11nm。當(dāng)在La摻雜的樣品中加入2%的Cu時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩相轉(zhuǎn)變加快，同時(shí)晶粒大小有所增長，但不顯著。這種同時(shí)有La和Cu摻雜的樣品，在700°C時(shí)仍為純的銳鈦礦相結(jié)構(gòu)，而到800℃時(shí)已表現(xiàn)出很明顯的金紅石型結(jié)構(gòu)了。對其氣敏傳感性能的測試表明，退火溫度900℃，La摻雜為5%的樣品對CO有很高靈敏度，當(dāng)在這種樣品中再摻雜2%的Cu時(shí)，發(fā)現(xiàn)樣品提高了對CO的選擇性。Ruizd等人的工作為研究材料微結(jié)構(gòu)對改善傳感器性能提供了新的思路和方法。我們可以改變以往單一元素?fù)诫s方法，嘗試同時(shí)摻入兩種作用互補(bǔ)的元素來改善傳感器的性能。 TiO2是一種典型的n型導(dǎo)電材料，當(dāng)遇到還原性氣體時(shí)，材料的電阻減小。傳統(tǒng)上我們通常運(yùn)用這種導(dǎo)電類型的材料來檢測還原性氣體，但是當(dāng)遇到某些氧化性氣體，如NO2時(shí)，TiO2的電阻將增大，增大的量有時(shí)會超過傳統(tǒng)電路的探測極限。當(dāng)TiO2為薄膜時(shí)這種現(xiàn)象更加明顯。因此應(yīng)當(dāng)選用p型導(dǎo)電材料來檢測NO2，因?yàn)樵谶m當(dāng)?shù)臈l件下，p型導(dǎo)電材料遇到氧化性氣體時(shí)電阻減小[14]。 研究發(fā)現(xiàn)，在TiO2中摻入Cr，控制Cr的摻雜濃度和樣品的熱處理溫度可以得到轉(zhuǎn)化為p型導(dǎo)電類型的TiO2傳感材料。Ruizd等人[9]對這項(xiàng)工作進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。他們用sol-gel法在氧化鋁基片上制得了Cr摻雜的TiO2樣品。他們將Cr的摻雜濃度控制在5%～30%，對樣品的熱處理溫度控制在600°C ～900°C。經(jīng)600℃退火處理的樣品在價(jià)帶區(qū)的XPS測試結(jié)果表明，隨著Cr的增加，電子導(dǎo)電類型有從n向p型轉(zhuǎn)化的趨勢。電性能測試發(fā)現(xiàn)，這種摻雜Cr的樣品工作溫度為250°C，90%Cr摻雜的樣品對NO2的響應(yīng)時(shí)間小于1min。在這項(xiàng)工作中，Ruizd等人分析了材料導(dǎo)電類型轉(zhuǎn)化的原因，他們根據(jù)測試的結(jié)果假定導(dǎo)電類型的變化是Cr摻雜引起的。但這只是一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的結(jié)果，還沒有確切的理論依據(jù)來支持這個(gè)假定。因此，仍然需要更加深入的研究。但是這種方法為我們開發(fā)新型的傳感器打開了大門。 2、運(yùn)用納米技術(shù)研制新型傳感器 納米技術(shù)是研究尺寸在0.1nm～100nm的物質(zhì)組成體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問題的科學(xué)技術(shù)。近年來，納米技術(shù)的飛速發(fā)展也為傳感技術(shù)的進(jìn)步帶來了廣泛的前景。與傳統(tǒng)的傳感器相比，運(yùn)用納米技術(shù)制備氣敏傳感器，具有常規(guī)傳感器不可替代的優(yōu)點(diǎn)：一是納米固體材料具有龐大的界面，提供了大量的氣體通道，從而大大提高了靈敏度；二是工作溫度大大降低；三是大大縮小了傳感器的尺寸。 Vargese等人[20]利用陽極氧化法，制成一種自組裝的鈦納米管序列作為敏感材料探測氫氣的氣敏傳感器。其制備方法是：用厚度為0.25mm的鈦箔作陽極，Pt電極作陰極，放入濃度為0.5%的氫氟酸溶液中電解，生長出鈦納米管陣列。加在陽極上的電壓分別為20、14、10 V時(shí)，制得的納米管的內(nèi)徑分別為76 nm、53 nm、22 nm，壁厚分別是27 nm、17 nm、13nm。在溫度為290°C下，通入1000 ppm氫氣時(shí)內(nèi)徑為76 nm、53 nm、22 nm鈦納米管樣品的靈敏度分別為70、260、10000，可見鈦納米管愈細(xì)其氣敏靈敏度愈高。內(nèi)徑為22 nm的樣品靈敏度比先前報(bào)導(dǎo)的對氫氣的最高靈敏度還要高10倍。在290°C下，氫氣濃度從0增加到500ppm，22 nm鈦納米管的電阻變化達(dá)4個(gè)數(shù)量級，表明這種傳感器不僅靈敏度很高，而且工作溫度較低。其工作機(jī)理是，在化學(xué)吸附的過程中，氫作為表面態(tài)在鈦導(dǎo)帶附近存在一個(gè)能級，電子從氫原子遷移到鈦原子，并在表面產(chǎn)生了一個(gè)勢能為V0的空間電荷層，減小了納米管的電阻。 王遠(yuǎn)等人[21]制成了一種TiO2/PtO-Pt雙層納米薄膜用來探測氫氣。其制備方法是先在玻璃襯底上覆蓋一層由Pt納米顆粒構(gòu)成的表面氧化的多孔膜，其中Pt納米顆粒直徑大約是1.3nm，膜厚大約100nm，然后在PtO-Pt膜上覆蓋TiO2薄膜，其中TiO2納米顆粒的直徑尺寸從3.4 nm到5.4nm，平均直徑4.1nm。其工作溫度是180°C～200°C，PtO-Pt多孔膜作為催化劑使TiO2納米膜對氫氣產(chǎn)生部分還原作用，從而使傳感器在空氣中，甚至在CO、NH3、CH4等還原性氣體存在的情況下，對氫氣都表現(xiàn)出很高的靈敏度和選擇性。 在納米技術(shù)的研究中，以TiO2基制備納米管、納米帶等新材料的報(bào)道還很少。最近，王中林等人[22]合成了金屬半導(dǎo)體氧化物如氧化鋅、氧化錫、氧化銦、氧化鎘、氧化鎵等物質(zhì)的納米帶。他們是采用高溫?zé)嵴舭l(fā)塊體材料，然后在低溫下氣相沉積到氧化鋁基片上的方法合成的。氧化鈦具有許多神奇的性質(zhì)，我們能否選用適當(dāng)?shù)姆椒ê铣杉{米帶等新材料來充實(shí)TiO2氣敏傳感器領(lǐng)域呢？這對我們不僅是一個(gè)機(jī)遇，也是一個(gè)挑戰(zhàn)?？梢灶A(yù)見，這些新材料在傳感器領(lǐng)域必將會有光明的應(yīng)用前景。 五、TiO[sub] 2[/sub]氣敏傳感器發(fā)展方向的展望 隨著傳統(tǒng)研究方法的不斷改進(jìn)，以及納米技術(shù)的引用，TiO2氣敏傳感器的發(fā)展取得了長足進(jìn)步，其選擇性、靈敏性、穩(wěn)定性都有了很大提高。但是在研究中仍然還存在著一些亟待解決的問題，如催化劑是如何影響傳感機(jī)制的；運(yùn)用傳統(tǒng)改進(jìn)方法及納米顆粒制作的氣敏傳感器的工作溫度雖然大大降低，但其工作溫度仍顯太高，大約在200℃左右；還有雖然納米傳感器的大部分性能比傳統(tǒng)的優(yōu)越，但是其恢復(fù)時(shí)間卻較長。隨著理論研究和納米技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這些問題必將會得到很好的解決，TiO2氣敏傳感器的研究和應(yīng)用也會隨之更上一個(gè)臺階。 參考文獻(xiàn)： [1] K. 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