不同量金属卟啉沉积的氧化锡基气体传感器的甲苯传感特性

本文研究了不同量金属卟啉(一种功能化物质)沉积的氧化锡基气体传感器的传感特性。制备的5种不同传感器沉积的金属卟啉质量分别为3、10、20、30和40 mg。沉积3mg的金属卟啉导致岛状功能化而不是薄膜;同时，对其他四种情况形成了厚度分别为25、35、74、92 nm的薄膜。随着金属卟啉沉积量的增加，传感器的性能下降。通过细分金属卟啉源的量来确定最佳沉积量，制备了样品。样品的沉积量在1到10毫克之间。沉积3-5 mg金属卟啉的传感器具有良好的响应、响应和恢复时间特性。

随着现代社会的发展和多元化，不仅产生了各种有害气体(CO、NOx、挥发性有机化合物等)，其排放量也在不断增加[1，2，3.，4］．为了管理这些有害气体的排放，政府机构已经限制了排放水平;然而，由于需要实时监测和控制来有效地管理这种情况，气体传感器的研究正在积极进展。特别是，电阻式气体传感器结构简单;因此，它们的制造成本很低[5，6］．因此，它们一直受到许多研究者的关注。然而，当单一材料用作传感材料时，其缺点是响应、恢复特性和选择性较弱[5，6］．为了克服这一问题，已尝试通过在传感材料中添加功能化材料来提高传感器的性能并确保选择性[7，8，9，10，11，12，13，14，15，16］．特别地，一种叫做金属卟啉的物质是一种检测VOCs的极好的功能化物质。金属卟啉作为一种极好的氧还原催化剂，有助于在金属氧化物表面产生足够的氧离子，并提供吸附位点，可以各种方式与VOCs结合，包括氢键、极性键和配位键[17，18，19］．然而，在金属卟啉的情况下，缺乏考虑气体传感器的性能取决于功能化材料的数量。如果少量的金属卟啉被功能化，就不能提供足够的吸附位点。当金属卟啉大量功能化时，吸附位点较多。但由于金属卟啉层较厚，限制了电子向传感通道的移动，使传感器的传感性能下降。在本研究中，采用不同数量的金属卟啉(一种功能化材料)沉积在锡氧化物上的传感器，根据功能化材料的数量来评估甲苯气体传感器的性能。

该实验通过在先前制造的传感器平台上涂覆传感材料来完成。该传感器平台的制作方法如前一篇论文所述[20.，21，22］．前文介绍了该传感器平台的特点，包括结构、工艺流程图和加热器运行特性。数字1显示了所制作传感器的光学显微图。材料购自Sigma-Aldrich[氧化锡片，5.10.15.20 -四苯基- 21h, 23h -卟啉钴(CoTPP)]。传感器的通道材料为氧化锡，采用电子束气相沉积法沉积了50 nm厚的薄膜。采用电子束气相沉积法制备了功能化材料金属卟啉(CoTPP)，沉积量分别为3、10、20、30、40 mg。表格1根据金属卟啉的沉积量列出厚度。使用白光干涉仪(Zygo NV6300)测量沉积薄膜的厚度。当沉积10、20、30和40 mg的金属卟啉时，可获得厚度分别为25、35、74和92 nm的金属卟啉薄膜。当金属卟啉沉积量为3 mg时，沉积厚度很薄;因此，它不能用白光干涉仪测量。数字2显示了沉积的3毫克金属卟啉源的扫描电镜图像。由于金属卟啉的沉积量很小，不能形成薄膜。因此金属卟啉仍然以岛的形式存在。每一定量的金属卟啉共制备了6个传感器。

传感器平台的光学图像。Ti/Pt电极(感应电极和加热电极)在悬浮的SiO上形成₂/如果_3.N₄/ SiO₂膜

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所制传感器的瞬态响应特性

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传感器被放置在石英管中，气体类型和流量由质量流量控制器控制。气体流速保持在500 sccm，以便传感器信号不受流速或压力变化的影响。以10 PPM的甲苯作为目标气体来评估传感器的特性。将直流电源(E3647A Agilent)连接到微加热器的两个电极上，施加2.5 V电压加热。此时感知区域的温度约为248°C。248℃是实验确认的最低温度，在此温度下裸SnO之间的响应差异₂和功能化SnO₂开始出现。传感器的电阻是通过使用源表(2400。吉时利)。

数字2显示了所制作的甲苯传感器的瞬态响应特性图。响应被定义为R_空气/ R_气体．6个传感器得到了相同的数据，响应、响应时间和恢复时间如图所示。3.．数字3.a - c是根据每个制造的传感器上沉积的金属卟啉的数量显示响应、响应时间和恢复时间的图表。每个数据点是从六个传感器收集到的数据的平均值，并显示误差条。响应时间定义为甲苯注入后达到最大电阻的90%的时间，恢复时间为停止甲苯注入后达到原始电阻的80%的时间。在响应度方面，含有3 mg沉积金属卟啉的传感器的响应度最高，为3.55，而含有40 mg沉积金属卟啉的传感器的响应度最低，为1.26。在响应时间方面，传感器响应最快，为11.1 s，未功能化的传感器响应最慢，为25.0 s。与裸SnO相比₂3 mg金属卟啉功能化传感器的响应率提高55.6%。在恢复时间方面，传感器恢复最快，为26.6 s，未功能化的传感器恢复最慢，为167.3 s。与裸SnO相比₂3 mg金属卟啉功能化的传感器使恢复时间提高了84.1%。在本实验中，证实了少量金属卟啉功能化处理进一步改善了传感器的性能。当金属卟啉沉积10 mg或以上时，如表所示1，形成了可以用白光干涉仪观察到的薄膜;然而，沉积3 mg的金属卟啉并没有导致薄膜的形成。金属卟啉被认为是以岛的形式沉积的。数字4显示了沉积的3毫克金属卟啉源的场发射扫描电子显微镜[FE-SEM(IT-500HR)]图像。从图中可以看出，几纳米的金属卟啉颗粒分布均匀。当纳米级金属卟啉颗粒均匀分布时，在金属氧化物表面形成充足的氧离子[18］．因为它们积极地参与反应，所以它们对性能改进有显著的影响。相反，在金属卟啉作为薄膜沉积的情况下，金属卟啉不作为电通道。因此，电子的运动可能受到限制。由于金属氧化物表面覆盖着金属卟啉，与气体反应所需的氧离子的形成可能很困难。即使形成的氧离子浓度很低，但由于氧离子只依靠扩散参与反应，因此反应时间也不可避免地增加。

响应、响应时间和恢复时间根据金属卟啉沉积在每个传感器上的量。金属卟啉沉积量分别为3、10、20、30、40 mg

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金属卟啉岛的扫描电镜图像。由于沉积源的量很小，不能形成薄膜，源以岛的形式存在

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通过细分金属卟啉源的含量制备样品，确定最佳沉积量。样品的沉积量在1到10毫克之间，信号暴露在10 ppm的甲苯中得到确认。数字5A-c根据每个制造的传感器上沉积的金属卟啉的数量显示响应、响应时间和恢复时间。与前面的实验一样，每个数据点是从六个传感器收集到的数据的平均值，并显示了误差条。在响应性方面，沉积3-10 mg金属卟啉的传感器具有同样高的响应性，而沉积1 mg金属卟啉的传感器响应性最低。在响应时间的情况下，误差有点大;然而，沉积3-4 mg金属卟啉的传感器在不到20 s内反应最快，沉积1 mg金属卟啉的传感器在40 s内反应最慢。就恢复时间而言，沉积3mg金属卟啉的传感器在37 s时恢复最快，沉积1mg金属卟啉的传感器在125 s时恢复最慢。结果表明，当金属卟啉沉积量为3 ~ 5 mg时，检测效果最好。

响应、响应时间和恢复时间根据金属卟啉沉积在每个传感器上的量。金属卟啉的沉积量在1 ~ 10 mg之间

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本研究采用不同量的金属卟啉对氧化锡基传感器进行功能化，并对传感器的特性进行了研究。采用电子束蒸发法对传感器的传感材料进行包覆，保证了传感器的可靠性。在3 ~ 5 mg金属卟啉沉积的情况下，传感器的响应、响应时间和恢复时间均表现出最佳性能。该传感器似乎具有很高的响应性，因为它可以提供足够多的吸附位点，以供气体响应;此外，使用3-5 mg的金属卟啉不会干扰电子的运动，使传感器实现了快速的响应时间和恢复时间。与裸SnO相比₂3 mg金属卟啉使传感器的响应和恢复时间分别提高了55.6%和84.1%。

在这项研究中产生或分析的所有数据都包含在这篇发表的文章中。

不适用。

本研究由韩国环境产业技术研究院(KEITI)通过韩国环境部(MOE)资助的“室内空气生物危害管理技术开发项目”(或“项目”)支持。2021003370005)。

作者和联系

1. 延世大学机械工程学院，韩国首尔西大门区延世路50号，03722

   赵炳华和金宗贝格

贡献

CB进行了实验，分析了数据，并写了手稿。KJ监督了研究并审阅了手稿。所有作者阅读并批准了最终稿件。

相应的作者

对应到Jongbaeg金．

相互竞争的利益

作者声明他们没有竞争利益。

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