等离子体增强化学气相沉积法制备Zn掺杂纳米晶Ga2O3薄膜的气敏特性研究及其在工业气体检测中的应用

为解决高温环境下工业气体检测的灵敏度与稳定性问题，俄罗斯托木斯克国立大学团队通过PECVD技术合成Zn掺杂纳米晶Ga2O3薄膜（nc-ZGO），系统研究其对CO、H2、NH3和NO2的气敏性能。结果显示薄膜在500°C对H2响应高达24.5 a.u.，响应恢复时间总和<27.4秒，且湿度（10-50% RH）影响微弱，为极端环境气体传感器开发提供新思路。

　　

在能源工业与化工领域，实时监测易燃易爆气体（如H₂、CO）和有毒气体（如NO₂）对安全生产至关重要。传统金属氧化物气敏材料如SnO₂和ZnO虽广泛应用，但面临高温稳定性差、湿度干扰大等瓶颈。Ga₂O₃因其宽禁带（~4.8 eV）和耐高温特性被视为潜力材料，但纯相β-Ga₂O₃气敏活性不足。如何通过掺杂和纳米结构设计提升其性能，成为研究焦点。俄罗斯托木斯克国立大学团队在《Results in Surfaces and Interfaces》发表研究，首次采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备Zn掺杂纳米晶Ga₂O₃（nc-ZGO）薄膜，系统解析其气敏机制与工业应用潜力。

关键技术方法

研究通过PECVD在0.1 Torr低压下于蓝宝石基底沉积90 nm厚nc-ZGO薄膜，Ga和Zn源温度分别设定为780°C和265°C。采用X射线衍射（XRD）、二次离子质谱（SIMS）和扫描电镜（SEM）表征结构，通过Keithley源表测试气敏性能，考察了250-550°C温度区间对7种气体的响应特性，并分析湿度（10-70% RH）影响。

研究结果

1. 1.

   结构特性：XRD显示薄膜呈纳米晶态，平均晶粒尺寸12-25 nm（SEM验证），Zn掺杂浓度1.64 at%（EDX测定）。光学带隙为4.75±0.05 eV，与文献报道一致。

2. 2.

   气敏性能：

   • •

     最优响应温度500°C下，对10⁴ ppm H₂响应值达24.5 a.u.，500 ppm H₂为2.99 a.u.，响应恢复总时间≤27.4秒。

   • •

     对NO₂呈现反常电阻下降现象，100 ppm时响应5.26 a.u.，归因于导电类型反转。

   • •

     湿度10-50% RH范围内性能波动<8%，70% RH时响应显著提升。

3. 3.

   稳定性：18天长期测试显示，CO、H₂和NO₂响应漂移<7.6%，NH₃测试初期响应增长后趋于稳定。

结论与意义

研究提出nc-ZGO的气敏机制源于Zn掺杂促进O^2-化学吸附，通过可变程跃迁导电模型（σ∝exp(-T₀/T_K)^1/4）解释电导变化。该材料在核能与氢能领域高危气体监测中展现独特优势：高温稳定性（550°C）、低湿度依赖性与快速响应，填补了Zn掺杂Ga₂O₃气敏研究的空白。未来可通过优化Zn含量和界面工程进一步提升选择性，推动其在工业物联网中的实际应用。