钇掺杂氧化锌纳米棒室温氨气传感性能研究：锌前驱体与掺杂水平的影响

本研究通过水热法在硅基底上制备一维钇(Y)掺杂氧化锌(ZnO)纳米棒，系统探讨锌前驱体（醋酸锌vs硝酸锌）和Y掺杂浓度（1%-7%）对室温NH3传感性能的影响。研究发现3%Y掺杂结合醋酸锌前驱体制备的传感器表现最佳，对50ppm NH3灵敏度达101%，响应/恢复时间仅20s/41s，揭示了Y掺杂通过调控纳米棒纵横比和缺陷化学增强传感性能的机制。

　　

Highlight

本研究首次直接比较醋酸锌和硝酸锌前驱体对钇(Y)掺杂氧化锌(ZnO)/硅(Si)纳米棒室温(RT)氨气(NH₃)传感性能的影响，建立了明确的前驱体-结构-性能关系。采用硅基底不仅提升了室温传感性能，更实现了与微电子电路的无缝集成，凸显了该架构的实际应用潜力。

XRD Analysis（X射线衍射分析）

图2展示了采用不同Y掺杂浓度和两种前驱体制备的Y掺杂氧化锌薄膜的X射线衍射图谱。所有样品均在100、002、101、102、110和103位置出现衍射峰，这些特征峰均归属于氧化锌。可清晰观察到002峰为优势峰，表明材料沿c轴择优取向。样品被证实具有纤锌矿结构，与PDF卡片号00-036-1451高度吻合。随着Y掺杂浓度的增加，可以观察到衍射峰向较低角度发生轻微位移，这表明Y³⁺离子成功掺入ZnO晶格，导致了晶格膨胀。值得注意的是，使用醋酸锌前驱体制备的样品，其(002)衍射峰的强度显著高于硝酸锌制备的样品，这强烈表明醋酸锌更有利于c轴取向生长和高纵横比纳米棒的形成。未检测到任何Y₂O₃或其他杂相的衍射峰，证明了在所有研究掺杂水平下均保持了良好的相纯度。

Conclusion（结论）

本研究首次直接比较了醋酸锌和硝酸锌前驱体在Y掺杂ZnO/Si纳米棒制备中的应用，并成功建立了其在室温NH₃气体传感中的前驱体-结构-性能关系。此外，硅基底的使用不仅增强了室温传感性能，还确保了与微电子电路的直接兼容性，凸显了所提出架构的实际应用潜力。XRD结果表明样品具有纤锌矿结构且c轴择优取向。SEM分析揭示，Y掺杂有效调节了纳米棒的纵横比，而使用醋酸锌前驱体则获得了更高的纵横比。气敏测试表明，基于醋酸锌前驱体的3% Y掺杂ZnO传感器对50 ppm NH₃的响应最高，达到101%，并展现出快速的响应（20秒）和恢复（41秒）动力学。其灵敏度随气体浓度增加而线性上升。该传感器还表现出卓越的选择性、长期稳定性和亲水性。性能的显著提升归因于Y掺杂和醋酸锌前驱体的协同效应：Y³⁺的掺入增加了载流子浓度并诱导产生更多氧空位，而醋酸锌则促进了高纵横比纳米棒的形成，从而增大了气体吸附位点并增强了表面反应性。这项工作为设计高性能室温气体传感器提供了宝贵的见解，并突出了前驱体化学在调控纳米材料形态与性能中的关键作用。