氧化钨纳米结构对污染气体的敏感性和选择性效应

最近，来自九江大学和美国波多黎各大学的研究人员进行了一项关于氧化钨纳米结构对污染气体的敏感性和选择性效果的研究。

气体传感技术已被广泛地应用于环境、工业和医疗领域。能够检测空气中少量有害污染物的敏感和可靠的材料一直是并且仍然是一个重大挑战。各种金属氧化物半导体（MOS），作为电阻式气体传感器的传统化学气体传感材料，由于其操作简单、重量轻、灵敏度高、成本低，已经被越来越多的人研究。

在这些氧化物中，氧化钨薄膜恰好是感知污染气体的有前景的候选者之一。因此，近年来涌现各种各种氧化钨半导体合成技术，包括电子束蒸发、热或阳极氧化、电化学沉积、化学气相沉积（CVD）、溅射、脉冲激光沉积、溶胶凝胶以及基于超细粉末的丝网印刷厚薄膜。

到目前为止，通过不同的合成技术，已经制造出了各种晶体结构和形态的钨氧化物，从零维（纳米颗粒和量子点）到一维（纳米棒、纳米线、纳米纤维、纳米砖和纳米管），二维（纳米片、纳米板和纳米球），以及三维（纳米花和纳米球）。基于氧化钨的气体传感器用于测量H₂、NO₂、NH₃、NO、H₂S、CO和有机气体如丙酮、甲醇、乙醇和甲醛。

与单纯的三氧化钨（WO₃）材料相比，通过掺入其他元素、贵金属纳米粒子的功能化或与其他半导体形成的异质结，其传感性能得到了明显的增强。

自从2000年首次被报道为氨气传感器以来，基于纯三氧化钨的气体传感器已经在室内和室外空气质量监测中的NH₃泄漏检测中大有作为。然而，这些传感器通常在150到500℃的高温下工作，这使温度监测和控制以及环境安全的设计要求变得复杂。

材料形态和晶体结构在决定传感性能方面起着根本的作用，因为相互作用主要发生在表面和边界。我们亟须一种快速、低成本和环保的设备原型制作方法，以便用可控的方法优化工艺参数，并探索特色形态和传感性能之间的关系。

这项研究报告了简单的免退火后热丝CVD方法来制备氧化钨样品，其中钨氧化物是在中等真空下通过钨丝的直接热蒸发生长的。

然后，利用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、拉曼光谱和X射线衍射（XRD）技术研究了不同基底温度下材料成分、晶体结构和表面形态的演变。基于所合成的材料的气体传感特性被系统地研究，并与纯的同类材料进行比较。最后，展示了一种在室温下运行的低成本、高性能的气体传感器，用于监测空气污染物，如NH₃、CO和CH₄。

在这项工作中，使用简单的热丝CVD技术合成氧化钨纳米结构，钨丝本身作为氧化钨的前体，没有使用任何催化剂或其他含钨化合物前体。

通过改变基底温度，在相对较高的沉积率下获得了可控的成分和形态，包括NPs、NRs和NFs。基于这些生长出来的氧化钨纳米结构膜，简单、低成本的气体感应原型已经被设计、制造和测试。

基于NF的气体传感器的性能最好，其次是基于NR的装置，最后是NP装置。当在室温下操作时，除了高灵敏度和快速响应时间外，基于NF的气体传感器还具有良好的重复性和稳定的基线的额外优势。

总之，此项研究的结果表明：通过微调处理参数，如真空室中的氧气含量，其他形态的基材温度，如纳米管，和热退火过程可以进一步用于优化传感器的性能。此外，这种方法还可以被改良或掺入其他元素，或用贵金属颗粒进行功能化等，以进一步优化感知不同目标污染气体的材料特性。

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