氧化鎢納米結構對污染氣體的敏感性和選擇性效應

最近，來自九江大學和美國波多黎各大學的研究人員進行了一項關於氧化鎢納米結構對污染氣體的敏感性和選擇性效果的研究。

氣體傳感技術已被廣泛地應用於環境、工業和醫療領域。能夠檢測空氣中少量有害污染物的敏感和可靠的材料一直是並且仍然是一個重大挑戰。各種金屬氧化物半導體（MOS），作為電阻式氣體感測器的傳統化學氣體傳感材料，由於其操作簡單、重量輕、靈敏度高、成本低，已經被越來越多的人研究。

在這些氧化物中，氧化鎢薄膜恰好是感知污染氣體的有前景的候選者之一。因此，近年來湧現各種各種氧化鎢半導體合成技術，包括電子束蒸發、熱或陽極氧化、電化學沉積、化學氣相沉積（CVD）、濺射、脈衝鐳射沉積、溶膠凝膠以及基於超細粉末的絲網印刷厚薄膜。

到目前為止，通過不同的合成技術，已經製造出了各種晶體結構和形態的鎢氧化物，從零維（納米顆粒和量子點）到一維（納米棒、納米線、納米纖維、納米磚和納米管），二維（納米片、納米板和納米球），以及三維（納米花和納米球）。基於氧化鎢的氣體感測器用於測量H₂、NO₂、NH₃、NO、H₂S、CO和有機氣體如丙酮、甲醇、乙醇和甲醛。

與單純的三氧化鎢（WO₃）材料相比，通過摻入其他元素、貴金屬納米粒子的功能化或與其他半導體形成的異質結，其傳感性能得到了明顯的增強。

自從2000年首次被報導為氨氣感測器以來，基於純三氧化鎢的氣體感測器已經在室內和室外空氣品質監測中的NH₃洩漏檢測中大有作為。然而，這些感測器通常在150到500℃的高溫下工作，這使溫度監測和控制以及環境安全的設計要求變得複雜。

材料形態和晶體結構在決定傳感性能方面起著根本的作用，因為相互作用主要發生在表面和邊界。我們亟須一種快速、低成本和環保的設備原型製作方法，以便用可控的方法優化工藝參數，並探索特色形態和傳感性能之間的關係。

這項研究報告了簡單的免退火後熱絲CVD方法來製備氧化鎢樣品，其中鎢氧化物是在中等真空下通過鎢絲的直接熱蒸發生長的。

然後，利用掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散X射線光譜（EDS）、拉曼光譜和X射線衍射（XRD）技術研究了不同基底溫度下材料成分、晶體結構和表面形態的演變。基於所合成的材料的氣體傳感特性被系統地研究，並與純的同類材料進行比較。最後，展示了一種在室溫下運行的低成本、高性能的氣體感測器，用於監測空氣污染物，如NH₃、CO和CH₄。

在這項工作中，使用簡單的熱絲CVD技術合成氧化鎢納米結構，鎢絲本身作為氧化鎢的前體，沒有使用任何催化劑或其他含鎢化合物前體。

通過改變基底溫度，在相對較高的沉積率下獲得了可控的成分和形態，包括NPs、NRs和NFs。基於這些生長出來的氧化鎢納米結構膜，簡單、低成本的氣體感應原型已經被設計、製造和測試。

基於NF的氣體感測器的性能最好，其次是基於NR的裝置，最後是NP裝置。當在室溫下操作時，除了高靈敏度和快速回應時間外，基於NF的氣體感測器還具有良好的重複性和穩定的基線的額外優勢。

總之，此項研究的結果表明：通過微調處理參數，如真空室中的氧氣含量，其他形態的基材溫度，如納米管，和熱退火過程可以進一步用於優化感測器的性能。此外，這種方法還可以被改良或摻入其他元素，或用貴金屬顆粒進行功能化等，以進一步優化感知不同目標污染氣體的材料特性。

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