NiO纳米线传感器性能分析：气体检测应用

1）NiO纳米线气体传感器的敏感性

图6.3.6为NiO纳米线基气敏传感器示意图。在这个气敏传感器中，超长的NiO纳米线在叉指电极中用作导电沟道。交错的电极阵列直径的长度为600μm，线宽为10μm。NiO半导体纳米线阵列被组装于这些交错的电极之下，NiO纳米线阵列见图6.3.6中的放大部分。两个电极之间的电导用来评估传感器的响应水平。我们用不同温度氧化制备的NiO纳米线制作成了三种传感器。在我们的实验中，传感器的响应（Rr）用下式来定义：

G0为暴露在测试气体之前的NiO纳米线的电导值；G为暴露在测试气体之后的NiO纳米线的电导值。

图6.3.6　NiO纳米线阵列组装在硅基底上的传感器结构示意

图6.3.7为不同晶粒尺寸的超长NiO纳米线阵列的气敏测量结果。晶粒尺寸为12.22 nm的试样“a”（NiO纳米线）的电流-电压（I-V）曲线线性斜率高于试样“b”和“c”。这是因为电导的变化和半导体纳米线暴露在外面的表面区域以及带有负电荷的气体分子的浓度相关，如、O2-、O-吸附在纳米线的表面，在晶粒尺寸较小的NiO纳米线将会吸附更多的氧。

图6.3.7　气敏传感器室温下的I-V曲线

图6.3.8　传感器暴露在不同浓度的氨气和水蒸气中时电导随时间的变化

图6.3.8为从50×10-6～200×10-6不同浓度的NH3气敏实验的测试结果。结果显示：在常温下，传感器对NH3均具有很大的响应值，且响应速度非常快。例如，当传感器暴露在50×10-6的NH3中36 s，电导的变化率为19%。同时，电导的变化随着NH3浓度的增加而增大。更为重要的是，3个气敏实验循环之后，利用背景气吹和红外灯照射，10 min之内传感器恢复到起始值，这对于基于NiO纳米线阵列的气敏传感器实际应用来说具有很大的诱惑。这种快速的响应和恢复是由于NiO纳米线阵列和金电极之间的良好接触所致。此外，随着组成NiO纳米线的晶粒尺寸的增加，电导值降低；具体实验结果如下：(https://www.xing528.com)

（1）电导值：Rr（试样“a”）＞Rr（试样“b”）＞Rr（试样“c”）。

（2）晶粒尺寸：D（试样“a”）＜D（试样“b”）＜D（试样“c”）。

这是由于晶粒尺寸越小，其晶界越多。之前的文献报道已经提到晶界或者晶粒连接处都是吸附气体分子的活性点，其将影响到电子的传输，导致了电导的变化。为了研究水分子对NH3气体敏感结果的影响，我们将气体分子仅暴露在水蒸气下，其他条件和氨气气敏测试条件相同。测试结果为：在100×10-6的水蒸气浓度下，水蒸气对电导几乎没有影响，然而，对于NH3却影响了电导的30%变化率；当水蒸气的浓度为200×10-6时，电导的变化率仅小于1%，对比与NH3的51%电导变化率几乎可以忽略。这说明水分子没有影响我们的气敏测试结果，我们实验中基于NiO纳米线的气敏传感器测试结果比较精确。

2）NiO纳米线气敏传感器的重复性和选择性

为了进一步地研究基于NiO纳米线阵列的气敏传感器的重复性，气体传感器被重复暴露的50×10-6的NH3中测试其气敏特性，结果见图6.3.9。四个循环氨气暴露实验之后，电导变化率基本不变，传感器的恢复能力没有降低，这说明NiO纳米线基传感器具有很优异的重复性和再现性。

图6.3.9　传感器在50ppm氨气中的重复性

NiO纳米线基传感器的选择性被分析，结果见图6.3.10。我们分别选用无水乙醇（Alcohol，C2H5OH）、丙酮（Acetone，CH3COCH3）、三氯甲烷（Chloroform，CHCl3）、己烷（Hexane，C6H14）、二氯甲烷（Dichloromethane，CH2Cl2）、甲醛（Formaldehyde，HCHO）、甲苯（Methylbenzene，C7H8）、氨气（Ammonia Water，NH3）进行气敏测试实验。从图6.3.10中，我们可以清晰地看到NiO纳米线阵列基传感器对于NH3具有很优异的选择性。例如，当传感器暴露在200×10-6的NH3时，电导变化率为51%，然而当传感器暴露在1 000 ppm的其他气体（如C2H5OH、CH3COCH3、CHCl3、C6H14、CH2Cl2、HCHO、C7H8）中时，电导变化率最高不超过7%。NiO基气敏传感器对于NH3这种优异的选择性能通过以下机理解释：

（1）氨气分子是一种很强的电子给体，且电子能够从氨分子转移到p型NiO纳米线，导致了传感器电导的很大变化率。

图6.3.10　NiO纳米线传感器暴露在氨气和其他有机气体中时的电导变化

（2）对于氨分子的选择性物理吸附也是一个关键性的因素。氨分子的吸附存在于NiO纳米线阵列的各个活性点上（晶界、晶粒连接处、晶面等）；对于氨分子的这种选择性物理吸附影响了电子运动，导致了其对氨气具有很好的选择性。