通过喷雾热解法制备可变厚度FeMnO3薄膜及其增强的乙醇传感性能研究

《Inorganic Chemistry Communications》：Enhanced ethanol sensing performances of FeMnO 3 thin films prepared by spray pyrolysis method with variable thickness

本文系统研究了通过喷雾热解法（Spray Pyrolysis）制备的可变厚度FeMnO3薄膜的乙醇传感特性。研究证实，该方法制备的薄膜具有立方晶相结构，随着厚度增加带隙减小，表面粗糙度提高增强了气体分子吸附能力。该传感器在室温（～30°C）下对100 ppm乙醇表现出47.2的优异响应值，响应/恢复时间仅55/78秒，为环境监测、呼气分析和食品安全等领域提供了高性能传感方案。

　　

章节亮点

材料合成

采用喷雾热解技术（Spray Pyrolysis）在玻璃基底上制备了不同溶液浓度的铁锰氧化物（FeMnO₃）薄膜。将九水合硝酸铁（Fe(NO₃)₃·9H₂O）和四水合醋酸锰（Mn(C₂H₃O₂)₂·4H₂O）按1:1化学计量比混合，配置成0.05 M浓度的前驱体溶液。溶液先分别搅拌15分钟，混合后继续搅拌20分钟以确保均匀性。

厚度测量

使用厚度轮廓仪分析FeMnO₃薄膜的厚度。厚度通过公式（2）计算：厚度(t) = ΔW / (ρ × A)，其中ΔW代表质量差，ρ为沉积材料的密度，A表示沉积面积。FM1、FM2和FM3样品的测量厚度分别约为581 nm、769 nm和926 nm。这种厚度递增与喷雾热解沉积过程中溶液体积的增加直接相关。

乙醇传感机制

图11展示了FeMnO₃薄膜的乙醇传感机理。在空气环境中，氧分子会吸附在薄膜表面。在三个样品中，FM2表现出最优异的传感性能，这归因于其更高的表面粗糙度。高表面粗糙度的薄膜提供了更大的有效表面积，为气体分子吸附提供了更多活性位点。这导致吸附氧浓度更高，从而显著提升了传感器的响应性能。

结论

通过化学喷雾热解法成功制备了可变厚度的FeMnO₃薄膜，该薄膜在室温（～30°C）下对乙醇气体表现出优异的传感性能。XRD分析证实其具有立方钙钛矿结构且无杂相。光学分析显示沉积材料的光吸收增强且带隙减小。形貌分析表明，由于表面粗糙度更高，形成了具有更大表面积的纳米级颗粒，这进一步提升了气体传感能力。