通过镉掺杂来调整喷雾沉积的V?O?的气体传感性能

《Materials Chemistry and Physics》：Tailoring gas sensing performance of spray-deposited V 2O 5 via cadmium doping

薄层V?O?纳米结构通过喷墨热解法制备，研究Cd掺杂对气体检测性能的影响。XRD证实正交晶系结构保持稳定，EDAX确认Cd掺杂成功，FESEM和AFM显示掺杂改变表面粗糙度和颗粒尺寸，最大选择性 toward Ethanol，灵敏度随Cd浓度增加及工作温度降低而提升。

　　

Niju Rajan|Priyanka Dutta|Govind Gupta|D.V. Manjunatha

尼特（被认定为大学），NMAM技术学院（NMAMIT）电子与通信工程系，印度卡卡尔拉邦尼特

摘要

采用喷雾热解技术制备了纯V₂O₅和掺镉V₂O₅薄膜。本研究探讨了掺镉对合成五氧化二钒气体检测性能的影响。在选择掺杂剂时考虑了钒和镉的离子半径匹配性。XRD图谱表明，掺镉后五氧化二钒仍保持正交结构。能量色散X射线分析（EDAX）证实了薄膜中存在镉掺杂剂。随着镉掺杂量的增加，薄膜的表面粗糙度和粒径发生了变化，这一点通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）和原子力显微镜（AFM）分析得到证实。基于气体传感特性研究，发现该薄膜对乙醇具有最高的选择性，并且掺镉后灵敏度提高，同时操作温度降低。因此，这种薄膜有望用于开发乙醇传感器。

引言

气体传感技术在环境监测、工业安全和医疗保健中至关重要，精确检测有害气体对于保护人类健康和基础设施至关重要。在室温下检测有毒气体分子对健康保护和环境监测非常有益，但由于现有气体传感材料的性能有限，这仍然是一个重大挑战[1]。挥发性有机化合物（VOCs）如乙醇具有高度易燃性和毒性，对健康和安全构成威胁。过量暴露可能导致呼吸问题和头晕，而泄漏可能引发火灾或爆炸。因此，开发低成本、高能效且可靠的乙醇传感器对于环境监测和工业安全至关重要[2]。然而，传统传感器在灵敏度、选择性和长期稳定性方面存在局限性，这促使人们寻求更先进的材料和制造策略。其中，薄膜技术因其可调的表面性质、微型化能力和与电路平台的无缝集成而成为下一代气体传感器的有力候选者。五氧化二钒（V₂O₅）是一种具有层状晶体结构和多种氧化状态的过渡金属氧化物，由于其高表面反应性和可调的电子性质，成为气体传感应用的有希望的候选材料[3]。在各种合成技术中，喷雾热解技术因其简单性、可扩展性和能够制备出形态可控的均匀薄膜而脱颖而出[4]。优化V₂O₅的气体传感性能仍是研究热点，尤其是在灵敏度、选择性和响应时间方面。一种增强这些特性的策略是用金属离子掺杂V₂O₅以调节其结构和电子性质[5]。镉（Cd）由于其独特的离子半径和电子构型，可以显著改变V₂O₅基体中的晶界、氧空位和载流子浓度。通过将镉掺入喷雾沉积的V₂O₅薄膜中，可以调控晶粒大小、表面积和缺陷密度等关键参数，这些参数直接影响气体传感行为[6]。本研究旨在阐明镉掺杂对V₂O₅薄膜的形态、结构和气体传感性能的影响，为其在下一代传感器技术中的应用潜力提供依据。掺杂剂的添加有助于调整薄膜的表面粗糙度和粒径等特性，从而提高其气体传感的灵敏度和选择性。

气体检测能力源于沉积薄膜的氧化物表面与引入气体物种之间的相互作用。众所周知，气体传感特性对表面形态和粒径的变化非常敏感，而这些因素受制备技术和所用掺杂剂性质的影响[7]。在本研究中，将镉作为掺杂剂引入喷雾沉积的V₂O₅薄膜中，以系统地调节这些微观结构特征。结果表明，粒径和表面粗糙度的变化显著影响了薄膜的气体传感行为。掺镉后的样品在灵敏度和选择性方面表现出显著提升，其中乙醇是主要目标气体，这归因于表面活性位点的增加和吸附动力学的改善。这些结果突显了形态优化在提高金属氧化物气体传感器效率方面的重要性。然而，本研究仅对每种掺杂剂组成测试了一个样品以验证其可行性和比较性能。虽然这种方法提供了初步见解，但未来的工作将进行多次样品的重复性和稳定性测试，并进行统计误差分析，以增强研究结果的可靠性。

章节摘录

V₂O₅纳米结构的喷雾沉积

未掺杂和掺镉的V₂O₅薄膜通过喷雾热解技术沉积在1 μm厚、面积为1.5 cm × 1.5 cm的平面玻璃基底上。沉积过程使用Holmarc喷雾热解设备完成。选择镉（Cd）作为掺杂剂是因为其离子半径与钒相近，便于在V₂O₅晶格中有效替代。V₂O₅的前驱体溶液是通过溶解0.38 g甘氨酸和0.59 g铵制备的

结论

通过喷雾热解合成了纯V₂O₅薄膜以及不同浓度镉（Cd）掺杂的V₂O₅薄膜。系统地对其进行了表征，以评估镉掺杂对薄膜微观结构、物理化学性质和气体传感性能的影响。XRD图谱显示，在所有掺杂水平下V₂O₅的正交相得以保持。EDAX证实了镉的成功掺入，验证了其作为V₂O₅基体兼容掺杂剂的作用。

CRediT作者贡献声明

Niju Rajan：撰写初稿、项目管理、方法学设计、实验研究、数据整理、概念构建。Priyanka Dutta：资源调配、项目管理。Govind Gupta：撰写与编辑、监督。D.V. Manjunatha：撰写与编辑、监督。

资助

本研究未获得任何资助。

利益冲突声明

我声明与本出版物无关的已知利益冲突，且本工作未接受任何可能影响其结果的财务支持。

致谢

作者衷心感谢卡纳塔克邦苏拉特卡尔NITK的中央研究设施（CRF）和新德里的国家科学与工业研究委员会-国家物理实验室（CSIR-NPL）在表征过程中的宝贵支持。