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【国际论文】俄罗斯托木斯克国立研究大学：掺锌 PECVD 纳米晶 Ga₂O₃ 薄膜的气体敏感特性

日期：2025-09-25阅读：48

由俄罗斯托木斯克国立研究大学的研究团队在学术期刊 Results in Surfaces and Interfaces 发布了一篇名为 Gas-sensitive properties of PECVD nanocrystalline Ga₂O₃ thin films doped with Zn（掺锌 PECVD 纳米晶 Ga₂O₃薄膜的气体敏感特性）的文章。

项目支持

氧化镓（Ga₂O₃）因其优异的基本性质而受到广泛关注，被视为电力电子和传感器领域的有前景材料，其性能甚至超过了成熟的SiC和GaN。基于Ga₂O₃的气体传感器在宽温度范围（室温至1000 °C）内对多种气体具有高灵敏度，同时表现出优异的化学和热稳定性。然而，纯 β-Ga₂O₃ 薄膜对气体的响应较弱，因此通常需要引入其他半导体掺杂以增强气敏性能，例如 SnO₂、In₂O₃ 或 ZnO。ZnO 作为气体传感器的常用材料，具有高化学与热稳定性，可作为其他金属氧化物的改性剂以提高其气敏性能。已有研究显示，掺杂 Ga 的 ZnO 薄膜对气体响应较高，而关于 Zn 掺杂 Ga₂O₃（ZGO）的研究相对较少，仅有少量文献表明 ZGO 在 400–500 °C 下对 100 ppm O₂ 具有高响应度。气敏金属氧化物薄膜通常为多晶结构，其晶粒直径对气敏性能有显著影响，晶粒尺寸在10–100 nm的纳米晶薄膜对气体表现出高灵敏度。因此，纳米晶 Zn 掺杂 Ga₂O₃（nc-ZGO）薄膜是构建高性能气敏传感器的有前景选择。本研究利用 PECVD 制备了 nc-ZGO 薄膜，并首次系统研究其气敏特性，为开发高性能气体传感器提供实验基础。

主要内容

通过等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法合成了锌掺杂的纳米晶 Ga₂O₃ 薄膜（nc-ZGO），并对其气敏性能进行了全面研究。实验结果表明，该薄膜在暴露于工业相关气体（如 CO、H₂、NH₃ 和 NO₂）时表现出高响应和快速响应特性。其中，对 H₂ 的响应最为显著。在最大响应温度 500 °C 下，对 500 ppm 和 10⁴ ppm H₂ 的响应分别为 2.99 a.u. 和 24.5 a.u.，且响应与恢复时间之和不超过 27.4 秒。nc-ZGO 薄膜在长期暴露于 CO、H₂ 和 NO₂ 的条件下，其气敏特性漂移较小，同时对相对湿度在 10–50% 范围内的变化依赖性也较弱。在现有理论框架下，本文提出了 nc-ZGO 薄膜的气敏机理。

研究亮点

● 通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）合成了高度掺杂锌的纳米晶 Ga₂O₃ 薄膜（ZGO）。

● ZGO 薄膜表面呈现颗粒状结构，颗粒尺寸为 12–25 nm。

● 对 500 ppm 和 10⁴ ppm H₂ 的响应分别为 2.99 和 24.5（在 500 °C）。

● 响应时间与恢复时间总和在 500 °C 下不超过 27.4 秒。

● ZGO 薄膜表现出气敏特性的长期稳定性。

结论

这项研究系统地探讨了纳米晶 Zn 掺杂 PECVD 制备的 Ga₂O₃ 薄膜对多种环境及工业相关气体的气敏特性。薄膜中的 Zn 浓度为 1.64 at%，且均匀分布在纳米晶 Ga₂O₃ 薄膜表面。Zn 掺杂纳米晶 Ga₂O₃ 薄膜的表面呈现颗粒状结构，颗粒尺寸为 12–25 nm。样品具有高透光率，在 λ = 450 nm 时接近 90%。Zn 掺杂纳米晶 Ga₂O₃ 薄膜在 CO、H₂、NH₃ 和 NO₂ 气体作用下表现出高灵敏度和快速响应性能，其中对 H₂ 的响应最为显著。在最大响应温度 500 °C 下，对 500 ppm 和 10⁴ ppm H₂ 的响应分别为 2.99 a.u. 和 24.5 a.u.，响应与恢复时间总和不超过 27.4 秒。与其他金属氧化物纳米晶薄膜气敏传感器相比，Zn 掺杂 Ga₂O₃ 薄膜传感器在高温、颗粒尺寸较小条件下，对 CO、H₂ 和 NO₂ 的长期测试中气敏特性漂移较小。此外，样品在相对湿度 10–50% 范围内，其气敏特性受湿度影响较小。研究提出了 Zn 掺杂纳米晶 Ga₂O₃ 薄膜的气敏机理，并表明此类传感器在检测可燃 H₂ 气体浓度、保障核能及氢能等极端条件下的安全应用方面具有潜在应用价值。