镧掺杂氧化锌气体传感器在室温下的二氧化碳传感应用

气体传感器对于检测一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）和二氧化氮（NO₂）等有害气体以防止危及人员生命健康具有至关重要的作用。此外，气体传感器还用于环境保护领域。气体传感器可以监测工业过程和运输等各种来源的排放，以确保遵守环境法规，并最大限度地降低对生态系统的影响。

二氧化碳气体传感器对于监测室内空气质量、维持暖通空调（HVAC）系统的运转很有必要，因为高浓度的二氧化碳会对人类健康产生有害影响。此外，二氧化碳传感器通过监测工业过程中的二氧化碳排放，还在缓解气候变化方面发挥着关键作用。

基于氧化锌（ZnO）等透明导电氧化物（TCO）的气体传感器吸引了研究人员的广泛兴趣。除了生态友好、易于制造和自然界丰富之外，氧化锌还具有六方结构、带隙（3.26~3.37 eV）和激子结合能（≈60 meV）等方面的独特优势。

氧化锌对二氧化碳等气体具有明显响应，导致其电学性质发生显著变化，能够高灵敏地检测和测量环境空气或密闭空间中的二氧化碳水平。此外，氧化锌既便宜又容易获得，使其成为大规模生产二氧化碳传感器的可行替代品。氧化锌还具有无毒、环保的特点，非常适合应用于室内空气质量监测，减缓温室气体排放。氧化锌基二氧化碳传感器的长期稳定性和可靠性对于连续监测应用至关重要。

总体来说，氧化锌的灵敏度、成本效益、环境兼容性、稳定性和集成能力，使其成为监测并降低二氧化碳排放的高效气体传感系统不可或缺的材料。

据麦姆斯咨询介绍，班尼苏维夫大学（Beni Suief University）和麦迪纳伊斯兰大学（Islamic University of Madinah）的研究人员在Scientific Reports期刊上发表了一篇题为“Design of high-sensitivity La-doped ZnO sensors for CO2 gas detection at room temperature”的论文。论文研究了一种镧掺杂氧化锌气体传感器在室温下的二氧化碳传感应用。这种新型气体传感方法可以检测二氧化碳，帮助解决空气质量、气候变化和工业排放等问题。并且，该系统能够在室温下运行，消除了对耗能加热器件的需求，提高了传感器的可靠性和能源经济性。这种气体传感器有望应用于工业、化学加工和医疗保健等领域。

这项工作还推进了稀土掺杂TCO光学和气体传感特性的科学研究。此外，它还推进了材料科学和气体传感技术的发展，为众多工业和学术研究提供了一种多样化且有影响力的解决方案。目前的研究涉及利用旋涂技术合成氧化锌和镧掺杂氧化锌的六方薄膜。

本研究重点考察了纯氧化锌和镧掺杂氧化锌薄膜的形态结构、化学成分和光学特性。此外，还研究了其对二氧化碳的气敏机理，包括表面粗糙度、带隙和颗粒尺寸等参数产生的影响。

氧化锌薄膜的气体传感机理

纯氧化锌、2.0%镧掺杂氧化锌和4.0%镧掺杂氧化锌SEM图像

室温（30℃）和30% RH下，4.0%镧掺杂氧化锌传感器的响应和选择性

该研究开发的镧掺杂氧化锌薄膜保持了高透明度（>80%），具有改进的光学性能，可阻挡更多的紫外线，将带隙从3.275 eV缩小到3.125 eV。关于气体传感应用，研究人员在室温（30℃）和30% RH下，利用各种与空气混合的二氧化碳气流对传感器进行了测试。

结果表明，4.0%镧掺杂氧化锌传感器在二氧化碳气体流量200 SCCM下表现出114.22%的最高气体响应，其快速响应和恢复时间分别为24.4秒和44秒。这些令人印象深刻的结果表明了其在工业应用中检测二氧化碳气体的潜力。

编辑：黄飞