喷雾热解法制备锡掺杂氧化锌薄膜的微结构、光学与形貌特性及其CO2传感性能研究

研究人员通过喷雾热解法成功制备了不同浓度锡(Sn)掺杂的氧化锌(ZnO)薄膜，系统研究了其微结构、光学和形貌特性。XRD证实样品具有六方纤锌矿结构，FESEM显示Sn掺杂使形貌从棒状转变为不规则多面体。UV-Vis光谱显示带隙在3.21-3.28 eV间变化，拉曼和光致发光光谱证实了氧空位缺陷的存在。特别值得注意的是，0.6 wt.% Sn掺杂使ZnO薄膜对500 ppm CO2的传感响应显著提升至95.9%，这为开发高性能气体传感器材料提供了新思路。

　　

随着环境污染问题日益严峻，开发高性能气体传感器成为材料科学领域的重要课题。氧化锌(ZnO)作为一种重要的II-VI族半导体材料，因其3.2-3.4 eV的可调带隙，在传感器、发光二极管、太阳能电池等领域展现出广阔应用前景。然而，纯ZnO薄膜存在灵敏度不足、选择性差等问题，制约了其在气体传感领域的实际应用。针对这一挑战，马兰塔纳修斯学院（自治）物理系研究生与科研部的V.K. Devanarayanan等研究人员开展了一项创新性研究，通过元素掺杂策略提升ZnO薄膜的传感性能，相关成果发表在《Results in Surfaces and Interfaces》上。

研究人员采用喷雾热解法这一经济高效的制备技术，通过精确控制沉积温度(420°C)、喷嘴尺寸(0.25 mm)等参数，成功制备了不同Sn掺杂浓度(0.6 wt.%和2 wt.%)的ZnO薄膜。研究综合运用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、紫外-可见光谱(UV-Vis)、拉曼光谱和光致发光光谱(PL)等多种表征手段，系统分析了材料的微观结构、光学性质和表面形貌特征，并构建了定制化传感测试系统评估其CO₂传感性能。

X射线衍射分析证实所有样品均保持六方纤锌矿结构，但Sn掺杂导致晶粒尺寸从60.7 nm减小至41.18 nm（0.6 wt.%）和43.10 nm（2 wt.%），这归因于Sn⁴⁺（83 pm）与Zn²⁺（74 pm）的离子半径差异引起的晶格畸变。有趣的是，0.6 wt.% Sn掺杂使(002)晶面织构系数降低，而2 wt.%掺杂时又有所回升，表明掺杂浓度显著影响晶体生长动力学。

形貌表征显示，未掺杂样品呈现长度2.5-3.2 μm、直径约200 nm的棒状结构，而Sn掺杂后转变为不规则多面体形貌，并伴随明显晶界形成。这种形貌变化源于Sn掺杂破坏了ZnO沿低表面能(002)晶面的择优生长。EDS分析证实Sn成功掺入ZnO晶格，原子百分比分别为0.92%（0.6 wt.%）和1.02%（2 wt.%）。

光学性能测试发现Sn掺杂引起吸收边蓝移，带隙从3.282 eV（未掺杂）降至3.210 eV（0.6 wt.%），这可用Burstein-Moss效应解释。拉曼光谱中E₂高频模从438.57 cm^-1移至431.497 cm^-1，A₁(LO)模从551 cm^-1蓝移至559.757 cm^-1，证实了氧空位缺陷的存在。PL光谱在380 nm处的近带边发射和756 nm处的深能级发射进一步验证了缺陷态的形成，其中0.6 wt.% Sn掺杂样品显示出最强的氧空位相关信号。

气体传感测试表明，在350°C工作温度下，0.6 wt.% Sn掺杂使ZnO薄膜对500 ppm CO₂的响应达到95.9%，显著高于未掺杂样品的47.1%。研究人员认为这一卓越性能源于三方面因素：首先，适度的Sn掺杂引入了大量氧空位，为气体吸附提供了更多活性位点；其次，减小的晶粒尺寸和形成的晶界增强了表面反应活性；最后，形貌转变产生的空隙结构促进了气体扩散。

这项研究通过系统的材料表征和性能测试，证实了适度Sn掺杂可有效调控ZnO薄膜的微结构缺陷和表面特性，从而显著提升其CO₂传感性能。特别是发现0.6 wt.% Sn掺杂浓度在氧空位形成、晶粒尺寸控制和形貌调控方面达到最佳平衡，这为设计高性能金属氧化物气体传感器提供了重要参考。研究成果不仅深化了对掺杂ZnO材料构效关系的理解，也为开发低成本、高灵敏的环境监测器件奠定了实验基础。未来研究可进一步探索Sn掺杂浓度梯度对特定气体选择性的影响，以及掺杂剂与其他纳米结构调控手段的协同效应。