WO3半导体气体传感器的研究进展.docx

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WO3半导体气体传感器的研究进展

W03半导体气体传感器的

研究进展

姓名：

王杰学号：

MZ14714

WO3半导体气体传感器的研究进展

一、引言

目前环境空气质量的好坏已经成为人们日常生活中非常关注的话题。

为了保护和改善人们生活环境、提高空气质量，我们迫切地需要研发一种高灵敏度、低成本、易维护的气体传感器，从而能够有效地对有害、有毒、易燃、易爆的气体进行检测和检验。

因此，气体传感器成为目前研究的热点。

气敏材料是整个气体传感器的关键部分。

n型金属氧化物半导体WO3作为一种优良的气敏材料，具有气质变色、压敏效应等优点。

它可被应用为光学气敏材料、压敏型气敏材料、SAW气敏材料和电阻型气敏材料。

其中WO3作为电阻型气敏材料研究最为广泛、最为成熟，它可检测H2S、NOx、O3、H2、CH4、

CO和NH3等气体。

它的工作机理是基于待测气体的吸附和紧随的表面反应过程所引起的电阻变化。

近年来，经过通过研究者的不断努力，人们在WO3半导体气敏材料的灵敏度、降低工作温度、选择性、响应/恢复时间、稳定性等性能指标上做出了众多的成就。

为了促进WO3半导体气体传感器早日实现商业化生产，我们还必须对WO各方面的气敏指标做进一步完善。

本文就WO3半导体气体传感器的应用场合、WO3体系和加工工艺进行论述。

、W03半导体气体传感器的应用场合

W03是一种宽带隙的n型半导体，作为一种优良的半导体气敏材料，已被

认为是检测H2S、NOx、O3和NH3等最有前景的新型氧化物气敏材料之一。

2.1W03基NO?

气体传感器

N02气体为有毒有害气体，对人体呼吸系统损害大，同时是形成酸雨的主要物质。

因而N02气体的监控和检测，对环境保护和健康保障十分重要，研究开发N02气敏传感器具有学术研究价值和实用应用意义。

W03作为一种近年来

发展起来的半导体功能材料，在气敏传感器等领域得到越来越广泛的应用，其对N02气体表现出良好的气敏性。

Akiyama等曾报道W03陶瓷在300C工作时是检测N0x的高敏感材料。

随后的两年里人们研究了诸如半导体型、电化学型等各种类型的N02气敏传感器,

并一致认为W03是最具有前景的N02气敏传感器。

Inoue等通过在空气中加热分解（NH4）10W12O41制备了W03,并采用丝网印刷法制备了W03厚膜型N02气敏传感器，该传感器可以检测出2~3ppmNO2气体，而且稳定性良好。

同年，Sberveglieri等采用磁控溅射法制备了W03薄膜，并研究了其在200~500C的温度范围内对1~10ppmNOx的敏感特性。

结果表明，该薄膜在上述条件对1~10ppm的NOx具有良好的重复性和气敏响应，并可以选择性地检测出CH4、

CO和S02气体，其在400C时对10ppmNOx的灵敏度为118,但是该研究并没有探讨其气敏机理。

Thomas等采用激光剥蚀法制备了WO3敏感膜并研究了其在60~250C范围内对NO和N02的气敏性能。

结果表明，其灵敏度较低，响应时间长达数分钟。

最近，Xie和Piperno研究了真空热蒸发和磁控溅射法制备的W03薄膜、亚微孔W03敏感膜及电纺丝法制备的W03纳米纤维对NOx的气敏性能。

例如，Xie采用真空热沉积法制备了W03薄膜，研究了其对N02的敏感特性。

结果表明，敏感膜的退火和工作温度对N02的敏感性能起到重要的作用。

Piperno等采用电纺丝法制备了直径为150~200nm的纤维，该纳米纤维对CO没有响应，对N02则具有良好的敏感性能。

2.2WO3基H?

S气体传感器

在工业生产和日常生活中，H2S气体经常以一种空气污染物形式存在，H2S

气体浓度过高，不仅影响工业生产，而且会严重威胁人类和其他生物的生产，即使少量的H2S气体也会给人们的生活带来不便，工业上H2S在空气中允许的最大质量浓度为0.01mg/L，因此迫切需要一种对H2S气体敏感的气体元件。

一般认为，W03接触H2S后引起负电荷载流子数目增大，从而引起n型半导体W03电阻下降。

而贵金属Au的掺杂主要是降低气敏元件的响应时间，提高对H2S的灵敏度。

例如，Lin报道的非晶W03薄膜经Au、Pd、Pt掺杂后，其达稳定阻值90%的响应时间缩短至1s以内。

Royster采用金属-有机物沉积工艺制备了WO3敏感膜并研究了其对H2S的敏感性能。

近年来，随着研究的不断深入，许多文献报道了WO3敏感膜对ppm量级

的H2S气体敏感性能，随测试温度和H2S气体浓度的不同其响应时间从3s到104s不等。

例如，2005年，Ionescu制备的WO3纳米颗粒敏感膜在150~200°C范围内可检测出低至20ppb的H2S气体，其中，该敏感膜对1ppmH2S气体的灵敏度为3~5。

Stankova采用磁控溅射法制备的纯的和Pt掺杂的WO3敏感膜在200C时可检测出100ppb的H2S气体。

WO3纳米晶敏感膜和WO3纳米线敏感膜对H2S气敏性能的研究也较为活跃。

而在400C退火后的WO3纳米晶敏感膜比700C退火后的敏感膜对H2S气体具有更好的响应。

Ponzoni制备的三维WO3纳米网络结构在300C时对10ppmH2S气体的灵敏度高达100。

Rout研究了WO3纳米颗粒、WO3纳米片和WO2.72纳米线在40~250C范围内对1~1000ppmH2S气体的敏感特性，其中WO2.72纳米线敏感膜在250C时对1ppmH2S气体的灵敏度为121。

2.3WO3基NH3气体传感器

氨（NH3）是一种无色而具有强烈刺激性臭味的气体，比空气轻（比重为

0.5），可感觉最低浓度为5.3ppm。

氨是一种碱性物质，它对接触的皮肤组织都有腐蚀和刺激作用。

可以吸收皮肤组织中的水分，使组织蛋白变性，并使组织脂肪皂化，破坏细胞膜结构。

氨的溶解度极高，所以主要对动物或人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用，减弱人体对疾病的抵抗力。

1992年，Maekawa研究了Au掺杂的W03敏感膜对空气中NH3的敏感特性。

但是在随后的几年里人们对W03基NH3敏传感器的研究并不多，直到2000年

以后人们对WO3基NH3传感器的研究才逐渐活跃起来。

例如，Xu采用Au和MoO3为添加剂制备了WO3氨敏传感器，该传感器甚至可在400C的高温下操作，对NH3的检测极限可达1ppm。

Llobet采用浸渍涂覆法在Si基板上制备了W03敏感膜，该敏感膜在250~350C的温度范围内对NH3敏感，在300E时对NH3的灵敏度最高，响应时间为15s，并对乙醇、甲烷、丙酮和水蒸气具有选择性。

Wang采用电纺丝法制备了WO3纳米纤维，如图4所示；并研究了该纳米纤维在350E时对50~500ppmNH3的响应特性，如图5所示，经计算后得知，该纳米纤维对NH3具有较快响应（＜20s）。

2.3WO3基O3气体传感器

目前O3被广泛应用到污水处理、消毒杀菌、医疗卫生上，当空气中O3的相对体积分数超过10-7时，对人体就要一定的危害。

臭氧对建筑材料、衣物及其他物质材料等也有损坏作用。

从20世纪90年代末开始人们对WO3基O3气敏传感器的研究逐渐活跃起来。

例如，2002年，Aguir采用射频反应磁控溅射法制备了WO3气敏传感器，并研究了其对O3的敏感性能及其在不同温度下的电性能。

2007年，Boulmani

采用磁控溅射法制备了WO3气敏传感器，研究了溅射参数与O3气体的气敏响应之间的关系。

2008年，Belkacem制备了纳米Co掺杂的WO基气敏传感器。

结果表明，Co掺杂后使WO3由n型变成了p型并提高了其在O3气体中的电导。

王冬青惨入3%Nb2O5到WO3基体中做成O3敏感元件，发现其静态电阻和灵敏度均比较稳定，比较适合开发环境温度变化较小的O3敏感元件。

三、W03体系

3.1纯WOx

W0具有钙钛矿型的晶体结构，禁带宽度约2.9eV。

由于W的电子亲和力不太强。

晶态WO具有氧空位，故WO属于n型半导体，作为施主能级的氧空位位于导带下约0.11eV。

传感器是通过W0与被测气体接触后表面电导发生变化进

行检测。

一般情况下，W0气敏材料是多晶结构，晶粒与晶粒通过晶界或脖颈彼此相连。

在清洁空气中，WO晶粒表面吸附氧分子，并在一定温度下从W0导带中俘获自由电子，形成化学吸附的氧离子（0或0），在晶粒表面形成电子耗尽层，使得晶粒间晶界势垒升高，脖颈通道变窄。

能带结构中在晶界和脖颈处形成一个附加的电子势垒曰，阻碍了载流子的运动，使电子迁移率降低。

当还原性气体分子出现时，它们与吸附态的氧阴离子发生反应，其生成物以气态方式挥发，同时将氧所带的负电荷释放回W0晶粒中，这样增加了W0材料中参与导电的电子，又减弱了晶界处氧离子造成的电子运动势垒，增加了脖颈处的宽度，提高了载流子的迁移率，使材料的电导率明显增加；相反地，当氧化性气体出现时，气体分子被吸附在W0晶粒表面，并从W0导带中俘获自由电子，在晶粒表面形成电子耗尽层，使得晶粒间晶界势垒升高，使材料的电导率明显减小。

杨晓红在对纯WC薄膜的气敏响应特征研究中，发现W-20-450气敏薄膜对

66纯WO3薄膜在不同浓度NO2气休中的R^ae/ksir曲线

NO气体敏感度好，最佳工作温度在150度到180度之间

图6.6为纯WO薄膜W-20-

450对不同浓度NQ气体的敏感度曲线，在0.1ppm的

NO气体中Rgas/Rair的值

最大达到了1.5倍，但对

1ppm的NO气体Rgas/Rair的值仍然达到了近6倍，即敏感度达近500%。

3.2W03-陶瓷

陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。

它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。

可用作结构材料、刀具材料，由于陶瓷还具有某些特殊的性能，又可作为功能材料。

Meng等人用水热法制备的Fe3O4/W03（直径为40-80nm长度约500nm）的纳米棒，其中含5wt%Fe3O4的复合材料对丙酮表现出很好的灵敏度，对200ppb丙酮的响应/恢复时间分别是9s和41s,已经符合从病人气息中检测丙酮浓度的变化对糖尿病进行诊断的要求。

3.4WO3-金属

Jun等用溶胶-凝胶法制备了有金属（Pt、Ru、Pd、In）添加的SnO2/WO3纳米颗粒，其中含1wt%Ru,5wt%SnO2的WO3在300C展现出最好的灵敏度和选择性。

Jun通过不同条件的对比试验，发现影响WO3气敏性能的因素很多，

包括：

材料的退火温度、SnO2添加的比例和金属添加的种类、薄膜的厚度以及粘合剂的类型。

同样是用溶胶-凝胶法Bai等人制备的WO3/SnO2复合纳米材料,对NO2最灵敏，其中WO3摩尔比占20%的WO3/SnO2在200C对200ppm的NO2灵敏度是186。

3.4WO3-有机物

有机-无机纳米粒子复合膜具有优异的气敏性能，在提高气体传感器的灵敏度、选择性及降低工作温度方面具有很大的优势。

PTh/无机复合纳米材料，根据PTh（polythio-phene）掺杂量的不同，可以表现出半导体到金属导体的特性。

桂阳海等人通过原位化学氧化聚合制备了PTh/WO3复合纳米材料。

研究了不同PTh掺杂量的复合材料对不同气体的敏感性。

质量分数w（PTh）为5%的PTh/WO3复合纳米材料对体积分数为5ppmNOx的灵敏度是77.14;w（PTh）为20%的PTh/WO3复合纳米材料对20ppmH2S的灵敏度是63.27。

四、W03半导体传感器的加工工艺

4.1磁控溅射

溅射是在真空室中，利用荷能粒子轰击材料（靶）表面，使其原子获得足够的能量而溅出进入气相，然后在工件表面沉积的方法。

具体的溅射工艺很多，如磁控溅射、射频溅射、直流溅射、反应溅射等，在实际应用中往往多种方式交叉使用。

Cheng-TiJin在氧、氩之比为1：

1的条件下利用直流反应磁控溅射法得到掺Au、Pt和Ru的W03膜。

掺Au的薄膜对N02的灵敏度很高，当Au/W03的密度达5.0g/cm2时，对3ppm的N02高达76。

胡明采用直流反应磁控溅射法,在未抛光的三氧化二铝基片上制备WO3薄膜，经过400C热处理，对体积分数为3X10-4%H2的灵敏度达到77,在体积分数为5X10-5%NH3中的灵敏度达到300。

这些研究说明WO3具有气体选择性好，响应-恢复时间短的优点，可以作为理想的气敏元件。

用磁控溅射方式制成的WO3薄膜对NOx有较好的气敏性能。

磁控溅射具有一般溅射的优点，如沉积的膜层均匀、致密、针孔少、纯度高、附着力强，应用的靶材广，可进行反应溅射，可制取成分稳定的合金膜等，磁控溅射还具有高速、低温、低损伤等优点，成为应用最广泛的一种溅射法。

4.2真空蒸镀

真空蒸镀是制备氧化钨薄膜最为方便的方法之一，即在真空条件下，利用加热、电子束或离子束使金属或金属化合物蒸发为气相后沉积在基底上形成一定厚度的薄膜的方法。

对于真空蒸发或电子束蒸发所采用的蒸发舟大都有钽、钼材料的，这些舟的熔化温度在1700C以上，对于类似氧化钨的其它无机敏感材料（过渡金属元素氧化物）来说，只要1300C以下就足够使其蒸发。

在氧化钨蒸发过程中，基板温度的改变将对所沉积的薄膜产生影响，无论是结构、薄膜电导率、光学特性以及敏感特性。

氧化钨薄膜通常沉积在基板上的温度在20°C~200°C之间，得到的氧化钨薄膜微观结构比较无序、多孔，而且随着蒸发过程中少量气体成分或水分的存在而变化。

真空蒸镀沉积的氧化钨薄

膜容易含水即使制备过程中没有刻意的加入水分，Bohnke证实此种情况下的薄

膜化学计量可以用WOx.YH2O来表示，其中在接近衬底部位的薄膜深处X=3.00+_0.03，而在薄膜表面X=3.10+_0.03。

水的结合状态是十分松弛的，其H/W比对于刚沉积的薄膜来说接近0.8,随着薄膜热处理过程的开始，这个比例极快的降低。

在蒸发沉积的氧化钨薄膜中，水的存在对于其敏感特性起着重要的作用，有时甚至可使其薄膜不具有敏感特性。

Bergmani等采用真空蒸镀的方法成功研制成了三氧化钨薄膜。

该法制备的薄膜纯度高、颗粒分散性好，通过改变、控制气氛压力和温度，可制得颗粒尺寸不同的纳米薄膜，适合合成熔点低、成分单一物质的薄膜或颗粒。

但该法成本高，不适宜制备大面积薄膜。

4.3脉冲激光沉积（PLD）

脉冲激光沉积（PLD），也被称为脉冲激光烧蚀（PLA），是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。

脉冲激光沉积（PLD）工艺是近年来发展起来的一种真空物理沉积工艺。

与其它工艺相比，具有可精确控制化学计量、合成与沉积同时完成、对靶的形状与表面质量无要求的优点，可以对固体材料进行表面加工而不影响材料本体。

PLD技术将准分子激光器产生的高强度脉冲激光束聚焦在靶材料的表面，靶材吸收激光激光束能量，其温度迅速升高至蒸发温度以上而产生高温及熔蚀，形成局域化的高浓度等离子体。

这种等离子体继续与激光束作用并吸收激光束的能量，产生进一步的电离，导致高温高压等离子体的产生。

高温高压等离子体经历一个绝热膨胀发射的过程迅速冷却，达到靶对面的衬底后即在其表面沉积成膜。

该法可以生长和靶材成分一致的多元化合物半导体薄膜，易于在低温下原位生长取向一致的组织结构膜或外延单晶膜，具有灵活的换靶装置，便于实现多层膜的生长，适用范围广。

但该方法的不足之处在于无法精确控制膜厚，不可能制各出原子层尺度的超薄型薄膜。

赵岩等以WO3粉压成的圆片作靶。

采用脉冲激光溅射技术沉积的膜是有部分晶化的非化学计量比的W03。

经热处理，膜450C左右开始晶化。

WO3膜可以检测低浓度的N02气体。

同其它传感器制作技术相比，脉冲激光溅射镀膜技术沉积的W03气敏膜对N02气体有非常快的响应速度和较短的恢复时间。

五、总结

W03纳米材料作为一种优良的气敏材料已经成为广大研究者关注的热点。

他们从W03纳米材料的形貌控制、元素的掺杂以及制备成复合材料等方面作了深入的探索，这对其气敏性能的改善取得了积极的成效。

目前，W03纳米气敏

材料的灵敏度等指标已经达到了应用级，但是在提高灵敏度、降低工作温度，特别是提高选择性和稳定性上还有很大的研究空间。

W03纳米材料还需克服制

备的高成本，探索简易而且重复性强的制备工艺，以便更早地应用于商业化生产，为社会生产生活服务。