利用雾化喷雾热解技术在In?O?薄膜中优化铒掺杂，以实现室温下的氨气传感

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Optimization of erbium doping in in?O? thin films using nebulized spray pyrolysis technique for room temperature Ammonia sensing

氧化铟锡薄膜通过铒掺杂改性，采用喷雾热解法制备，其氨气传感性能随掺杂浓度变化呈现优化趋势，4%铒掺杂样品灵敏度达纯膜的80倍，响应时间13.7秒，恢复6.4秒，同时晶粒尺寸增大、晶格应变减小、带隙降低至3.24eV，光致发光证实氧空位浓度增加。

　　本研究聚焦于开发一种能够在常温下快速、准确检测有毒气体的传感器，特别是针对氨气（NH?）的检测。氨气是一种无色、具有强烈刺激性气味的气体，广泛存在于工业、农业和家庭环境中，对人体健康和环境安全构成潜在威胁。因此，研究高效、低成本、适用于室温的氨气检测方法具有重要的现实意义。当前，许多金属氧化物半导体（MOS）气体传感器需要在高温下工作，这不仅增加了能耗，还可能缩短传感器的使用寿命。为此，研究者们尝试通过掺杂、表面改性和催化功能化等手段，提升传感器在常温下的性能。本文通过喷雾热解技术制备了纯氧化铟（In?O?）和掺杂铒（Er）的In?O?薄膜，并系统研究了其结构、形貌和光学特性，以评估其在氨气检测中的应用潜力。

在实验中，研究团队采用喷雾热解法（Nebulizer Spray Pyrolysis, NSP）制备了不同铒掺杂浓度（0、1、2、3、4和5 wt%）的In?O?:Er薄膜。这种方法被认为是一种简单且成本效益高的薄膜合成技术，能够有效控制薄膜的粒径和掺杂均匀性。此外，NSP方法还具有良好的可扩展性，适用于大规模生产，因此在工业应用方面展现出显著的优势。通过X射线衍射（XRD）分析，研究发现所有样品均呈现出In?O?的立方结构，且具有明显的（222）晶面取向。这表明，掺杂并未改变In?O?的基本晶体结构，而是对晶粒尺寸和晶格应变产生了影响。随着铒掺杂浓度的增加，晶粒尺寸逐渐增大，而晶格应变则相应减小。这一现象可能与铒元素在In?O?晶格中的扩散和晶格畸变有关。

进一步的扫描电子显微镜（FESEM）分析显示，掺杂铒的薄膜呈现出更细小的晶粒结构，且在4 wt%的掺杂浓度下，晶粒尺寸达到最大值。然而，当掺杂浓度超过4 wt%时，晶粒尺寸开始减小。这一结果表明，4 wt%的铒掺杂浓度可能是实现最佳性能的关键点。同时，薄膜的光学特性也受到铒掺杂的影响。通过光致发光（Photoluminescence, PL）分析，研究团队观察到在392 nm、416 nm、438 nm、452 nm、478 nm和522 nm波长附近出现了缺陷态，且发光强度显著增强。这些缺陷态的存在可能与薄膜中氧空位的增加有关，而氧空位在气体吸附和传感过程中起着至关重要的作用。特别是在4 wt%铒掺杂的薄膜中，氧空位的浓度明显增加，这有助于提高传感器对氨气的吸附能力，从而增强其灵敏度。

在气体传感性能测试中，研究团队发现4 wt%铒掺杂的In?O?薄膜表现出最优异的响应能力。与纯In?O?相比，该薄膜在250 ppm的氨气浓度下，其灵敏度提高了80倍。此外，该传感器还具有快速的响应和恢复时间，分别为13.7秒和6.4秒，显示出良好的动态性能。同时，该传感器表现出优异的重复性和高选择性，这意味着它能够在复杂环境中准确检测氨气，而不受其他气体的干扰。这些性能的提升主要归因于铒掺杂所带来的结构和光学特性的优化。通过调控晶粒尺寸、晶格应变和氧空位浓度，铒元素有效地改善了In?O?的电导率和表面活性，从而增强了其对氨气的响应能力。

目前，关于In?O?掺杂稀土元素（如铒）用于氨气检测的研究相对较少。大多数相关研究集中在高温条件下的性能优化，而较少关注常温下的应用。本文通过系统地研究不同铒掺杂浓度对In?O?薄膜性能的影响，为开发适用于室温的氨气传感器提供了新的思路和实验依据。此外，研究团队还强调了喷雾热解法在制备高质量薄膜方面的优势，包括其操作简便、成本低廉以及易于实现大规模生产。这些特点使得该方法在未来的工业应用中具有广阔前景。

在实际应用中，氨气传感器的性能不仅取决于其灵敏度和选择性，还与响应时间、稳定性以及环境适应性密切相关。因此，本文的研究不仅关注了材料本身的性能优化，还考虑了其在实际检测环境中的表现。通过综合分析结构、形貌和光学特性，研究团队得出了关于4 wt%铒掺杂薄膜在氨气检测中具有最佳性能的结论。这一发现为未来开发低成本、高效率的氨气传感器提供了重要的理论支持和技术参考。

在环境和健康监测领域，氨气的检测具有重要意义。例如，在食品工业中，氨气的浓度可以用来判断食品是否发生腐败；在医疗领域，氨气的浓度可能与某些器官功能异常有关，如肝肾疾病；在工业和农业环境中，氨气的泄漏可能对工人和居民的健康造成威胁。因此，开发一种能够在常温下高效检测氨气的传感器，不仅能够满足实际需求，还能减少能源消耗，提高设备的稳定性和使用寿命。

综上所述，本文通过系统的研究和实验，揭示了铒掺杂对In?O?薄膜性能的显著影响，并验证了其在氨气检测中的优越性。研究结果表明，4 wt%的铒掺杂浓度能够有效提升薄膜的灵敏度、响应速度和选择性，为未来开发室温氨气传感器提供了重要的参考价值。同时，研究团队还强调了喷雾热解法在薄膜制备中的优势，为该技术在工业领域的进一步应用奠定了基础。未来的研究可以进一步探索不同掺杂元素对In?O?薄膜性能的影响，以及如何通过其他改性手段（如表面修饰或复合材料设计）进一步优化传感器的性能。此外，研究团队还希望未来能够将这些研究成果应用于实际的检测设备中，以满足更广泛的应用需求。