ZnO气敏材料的性质分析

氧化锌属于表面敏感型气敏材料。当使用氧化锌作为气敏材料时，气体传感机制可以概括为吸附-氧化-脱附机制，其气体敏感机制如图1.1.4 所示。在空气中，氧分子被吸附在氧化锌材料表面，从氧化锌导带捕获电子，形成氧负离子（，O-，O2-），这些离子成为表面接收位点。由于导带的电子损耗，在氧化锌表面上形成了一个具有高电位的德拜电子耗尽层，阻碍了电子在晶体颗粒之间的运动，化学吸附达到平衡后，氧化锌的电阻升高达到一个稳定值；当引入还原性物质（如氢气、乙醇、苯等）时，它们会与氧负离子产生氧化还原反应来氧化氧负离子，同时将俘获的电子迁移到导带。此时，电子损耗层的厚度减小，载流子密度增加，氧化锌的电阻降低到一个稳定值，然后，随着空气的流动，目标气体逐渐与氧化锌分离，电阻回到初始状态。当遇到氧化性气体（例如，NOx，SO2，O3 等）时，氧化性气体会捕获氧化锌中的电子，载流子密度显著降低，材料的电阻增加，直到平衡。

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图1.1.4　ZnO 气敏材料的气敏机理

然而，ZnO 材料的气敏性能通常与表面化学反应和气体扩散有关。当温度低于150 ℃时，表面化学反应起主导作用，吸附的氧气只能捕获少量的电子来形成。因此，材料大的比表面积可以提供更多的活性位点，从而提高灵敏度；当温度高于150 ℃且低于300 ℃时，表面化学反应和气体扩散会产生一种常见的操纵效应；当温度超过300 ℃，继续捕获电子以形成和。这就是表面化学反应加速，气体扩散成为气敏反应速率限制步骤的原因。在这种情况下，材料的孔径和孔隙度越大，气体扩散越快，气敏性能从而越好。