Fe/Al双掺杂SnO2 薄膜的CO2 传感性能优化：结构-光学-电学协同调控机制

本研究针对CO2 检测中灵敏度与响应速度难以兼顾的难题，通过溶胶-凝胶浸渍法制备Fe/Al掺杂SnO2 薄膜，系统分析掺杂对晶体结构（XRD）、表面形貌（SEM/AFM）、光学带隙（UV-Vis）及电导率（Hall效应）的影响。发现10 wt.% Fe掺杂使灵敏度提升至1.05，10 wt.% Al掺杂实现20秒超快响应，为环境监测传感器设计提供新策略。

　　

随着全球气候变化加剧，二氧化碳（CO₂
）作为主要温室气体，其浓度监测成为环境科学与工业安全的核心课题。当前商用传感器面临灵敏度不足、响应迟缓等瓶颈，而金属氧化物半导体材料SnO₂
虽具备优异稳定性，但其本征性能难以满足复杂场景需求。如何通过材料改性实现性能突破，成为研究者亟待解决的难题。

沙特阿拉伯伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表创新成果，首次系统对比过渡金属铁（Fe）与后过渡金属铝（Al）双掺杂对SnO₂
薄膜的多维影响。通过溶胶-凝胶浸渍法（sol-gel dip-coating）制备3-10 wt.%梯度掺杂薄膜，结合X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）等表征手段，揭示Fe诱导晶格膨胀而Al导致晶格应变的关键差异。尤为重要的是，10 wt.% Fe掺杂使CO₂
灵敏度达1.05，而等量Al掺杂实现20秒级响应，这种性能互补性为传感器定制化设计开辟新路径。

研究采用溶胶-凝胶浸渍技术制备薄膜，通过XRD分析晶体结构变化，SEM/EDX观测表面形貌与元素分布，UV-Vis光谱测定带隙偏移，Hall效应测试载流子迁移率。所有样品在3 mbar CO₂
浓度下进行气敏测试，模拟工业排放典型环境。

【结构特性】XRD显示Fe掺杂使SnO₂
（110）晶面间距扩大0.02 nm，而Al掺杂引发晶格畸变度达1.8%，这与Fe³⁺
（0.65 ?）和Al³⁺
（0.54 ?）离子半径差异直接相关。

【光学性能】UV-Vis证实Fe掺杂使带隙从3.64 eV降至3.21 eV，增强电子跃迁；Al掺杂则逆势拓宽至4.14 eV，归因于Burstein-Moss效应。

【电学行为】Hall测试发现7 wt.% Al掺杂触发p型导电转变，载流子浓度骤降2个数量级，而Fe掺杂维持n型特性且电导率提升300%。

【传感性能】10 wt.% Fe:SnO₂
因大孔结构（52.85 nm）和窄带隙协同作用，灵敏度较未掺杂样提高2.3倍；10 wt.% Al:SnO₂
凭借均匀纳米孔（15.93 nm）实现20秒快速响应，但灵敏度略低（0.7）。

该研究突破传统单掺杂研究局限，首次阐明Fe/Al双掺杂对SnO₂
的"灵敏度-响应速度"权衡机制。Dunya Zeki Mohammed等学者发现Al掺杂诱导的p型转变现象为理论创新，而Fe掺杂提升的吸附活化能（0.45 eV）为实践优化提供量化依据。这种材料基因工程思维不仅适用于环境监测，还可拓展至医疗呼吸分析、智能农业等领域，为氧化物半导体传感器设计建立新范式。