, 郭忠明, 封怡超, 李泽宇 东北大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2021-11-02
基金项目：国家重点研发计划项目(2020YFB2008702)。
作者简介：苑振宇(1985-)，男，内蒙古赤峰人，东北大学副教授，博士生导师。
摘要：利用气/液界面自组装法和溶液浸渍转移法制备了单层和双层氧化铟多孔有序气敏薄膜，并对其进行了气敏特性测试，同时利用多物理场耦合进行气敏特性仿真研究.结果表明，制备的气敏薄膜具有规则的孔道结构，孔壁呈现为具有大比表面积的片状结构.基于该气敏材料的气体传感器对丁酮表现出优良的气敏特性，单层In2O3多孔有序气体传感器在最佳工作温度350 ℃的条件下对质量分数为100×10-6的丁酮的灵敏度为15.37，响应时间仅为4.3 s；双层In2O3多孔有序气体传感器在最佳工作温度375 ℃的条件下对质量分数为100×10-6的丁酮的灵敏度为20.45，响应时间为22.7 s.仿真结果与气敏特性测试结果吻合较好.
关键词：气/液界面自组装气体传感器多孔有序气敏薄膜In2O3丁酮响应时间多物理场
Preparation of Porous Ordered Films of In2O3 and Its Gas Sensitive Characteristics to Butanone
YUAN Zhen-yu
, GUO Zhong-ming, FENG Yi-chao, LI Ze-yu School of Information Science & Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: YUAN Zhen-yu, E-mail: yuanzhenyu@ise.neu.edu.cn.
Abstract: Monolayer and bilayer porous ordered gas sensitive films of In2O3 were prepared by gas/liquid interfacial self-assembly method and solution impregnation transfer method, and the gas sensitive characteristics of the films were tested. At the same time, coupling of multiple physical fields was used to simulate the gas sensitive characteristics. The results show that the gas sensitive film has regular pore structure and the pore wall is a flake structure with large specific surface area. The gas sensors based on the gas sensitive material show excellent gas sensitive characteristics to butanone. The monolayer In2O3 porous ordered gas sensor has a sensitivity of 15.37 to the mass fraction of 100×10-6 butanone at the optimal operating temperature of 350 ℃, and the response time is only 4.3 s. The sensitivity of the bilayer In2O3 porous ordered gas sensor to the mass fraction of 100×10-6 butanone is 20.45, and the response time is 22.7 s at the optimal operating temperature of 375 ℃. The simulation results are in good agreement with the test results of gas sensitive characteristics.
Key words: gas/liquid interfacial self-assemblygas sensorporous ordered gas sensitive filmIn2O3butanoneresponse timemultiple physical fields
丁酮(CH3CH2COCH3)作为在工业生产中常见的酮类，是一种易挥发且具有刺激性气味的物质.由于其特殊的性质，油漆、硝酸纤维素、合成树脂等多种物质都易溶于其中，因此在石油工业、造纸业、纺织业等领域中有着广泛的应用.但长期吸入丁酮会对人体造成危害，包括对眼、鼻、喉等部位黏膜具有刺激性，若长期接触皮肤表面则会导致皮炎.因此，制备出具有优良气敏特性的丁酮气体传感器至关重要.
气体传感器的种类繁多，包括催化燃烧式、电化学式、光电式、热电式、磁电式、半导体式等，在众多领域中都发挥着极其重要的作用.其中基于金属氧化物的半导体式气体传感器具有灵敏度高、检测范围广、线性度良好、选择性可控、稳定性好、体积小、功耗小等优点而迅速发展，广泛应用于安全保障、卫生医疗、空气质量和环境检测、交通运输、工业生产等领域[1].基于金属氧化物的半导体式气体传感器的气敏材料主要有P型半导体四氧化三钴(Co3O4)[2]、氧化铜(CuO)[3]、氧化镍(NiO)[4]等，以及N型半导体氧化锌(ZnO)[5]、氧化钨(WO3)[6]、氧化铟(In2O3)[7]等.其中In2O3半导体作为一种常见的N型宽禁带(Eg=3.55~3.75 eV)的半导体材料而被广泛应用.
高性能的半导体金属氧化物的制备和合成方法是影响气体传感器性能的关键因素之一[8].目前针对In2O3合成了众多形态各异的气敏材料，包括纳米颗粒、纳米棒、纳米片、纳米球以及分等级纳米结构等.然而，大多数基于In2O3的气体传感器属于厚膜型气体传感器，目前的研究主要集中于对其纳米形态的调控、贵金属的掺杂改性及异质结的构造等.同时，传感器的工作机理主要依靠吸附氧模型、晶界势垒模型以及能带理论等进行定性分析.厚膜型气体传感器由于材料特性的限制，响应时间长，不能随气体浓度的变化快速响应.因此，改进半导体金属氧化物传感器性能的一个主要挑战是开发出一种响应时间短且具有明确阵列结构的纳米薄膜材料.其中，金属氧化物多孔有序气敏薄膜材料由于其具有规则的孔道结构，可以为气敏材料提供更大的比表面积和更多的活性位点，且有利于气体在气敏材料内部的扩散，从而使气体传感器的灵敏度提高和响应恢复时间缩短.同时，规则有序的孔道结构也可通过多物理场耦合仿真进行更加准确的气敏机理分析.因此，基于多孔有序气敏薄膜材料的气体传感器逐步成为国内外****的研究热点.目前已经有溶胶-凝胶法、水热合成法、微波合成法以及模板法等多种制备方法.然而，利用聚苯乙烯(polystyrene, PS)微球作为模板，通过气/液界面自组装法及溶液浸渍转移法制备In2O3多孔有序气敏薄膜还鲜有报道.
本文通过气/液界面自组装法成功制备了聚苯乙烯微球模板，以此为基础利用溶液浸渍转移法成功制备了单层及双层In2O3多孔有序气敏薄膜，并分别对其进行了SEM表征.基于所制备的材料分别制成气体传感器，并对它们进行了气敏特性测试.同时，通过多物理场耦合分析分别对单层和双层In2O3多孔有序气敏薄膜材料进行仿真建模，通过搭载层流、稀物质传递、表面反应等多个物理场来模拟出气体在气敏薄膜材料内部的流速分布、浓度分布、在材料骨架表面上的吸附气体浓度及其吸附气体含量，以此来比较分析单层和双层In2O3多孔有序气敏薄膜之间在灵敏度和响应时间上存在差异的原因，验证实验结果的合理性.
1 实验过程1.1 多孔有序气敏薄膜的制备本实验中，利用聚苯乙烯微球在气/液界面上的自组装来制备单层二维胶体模板，再通过模板在前驱液表面上的溶液浸渍转移法制备出单层及双层的In2O3多孔有序气敏薄膜.制备单层In2O3多孔有序气敏薄膜的步骤如下：
1) 将玻璃板依次在丙酮、乙醇以及去离子水中分别超声波清洗40 min，用去离子水冲洗若干次，去除玻璃板表面杂质，使在玻璃板表面合成的二维胶体模板更加平整且纯度更高.
2) 将玻璃板置于浓硫酸与过氧化氢体积比为3∶1的混合溶液中浸泡4 h以上，接着用去离子水清洗若干次，再置于去离子水、氨水、过氧化氢体积比为5∶1∶1的混合溶液中超声处理100 min，使玻璃板表面具有一定的亲水性，为模板更容易地从玻璃板上剥离到In(NO3)3溶液中做好准备.
3) 将处理完成的玻璃板置于水平的恒温工作台上，将去离子水均匀覆盖在玻璃板上以形成一层水膜.将聚苯乙烯微球悬浮液分散到一定体积的无水乙醇中得到分散均匀的混合液，再将混合液沿着覆有去离子水膜的玻璃边角处缓慢注入，直至在气/液界面上PS微球的自组装完成并进行干燥，从而得到在玻璃衬底上的单层二维胶体模板，如图 1所示.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 气/液界面自组装法制备二维胶体模板Fig.1 Preparation of two-dimensional colloidal template by self-assembly at gas/liquid interface (a)—单层二维胶体模板制备过程示意图；(b)—制备的二维胶体模板；(c)—光照下的二维胶体模板. |
4) 将上述制备好的胶体模板转移并漂浮至In(NO3)3溶液表面，并保持漂浮时间为2~10 min，以保证In3+充分附着在二维胶体模板上.随后用衬底将模板拾起，平放5~6 min后置于80~120 ℃的烘箱中加热15~30 min，400 ℃高温煅烧120 min即可得到单层In2O3多孔有序气敏薄膜.溶液浸渍转移法制备气体传感器的流程示意图如图 2所示.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 溶液浸渍转移法制备气体传感器示意图Fig.2 Schematic diagram of gas sensor prepared by solution impregnation transfer method |
双层In2O3多孔有序气敏薄膜是在单层气敏薄膜的基础上制备的，其制备步骤如下：
在制备单层In2O3多孔有序气敏薄膜的步骤4)中，将用衬底捞出的模板置于80~120 ℃的烘箱中加热15~30 min，以使模板能够贴敷在衬底表面上，避免覆有一层二维胶体模板的衬底在二次捞起的过程中再次进入In(NO3)3溶液，使该模板脱离衬底而重新漂浮在溶液表面.将第二次捞出的带有双层二维胶体模板的衬底重复步骤4)中的操作即可得到双层In2O3多孔有序气敏薄膜.
1.2 多孔有序气体传感器的制备本实验制备单层及双层In2O3多孔有序气体传感器，需要在拾起漂浮在In(NO3)3溶液表面上的二维胶体模板时直接将陶瓷管作为衬底.其操作步骤如下：
1) 将薄陶瓷管作为衬底拾起漂浮在In(NO3)3溶液表面上的二维胶体模板后平放5~6 min，置于80~120 ℃的烘箱中加热15~30 min，400 ℃高温煅烧120 min后即可得到覆有In2O3的多孔有序气敏薄膜材料的薄陶瓷管.
2) 将薄陶瓷管和加热丝共6个管脚焊接到六角基座上用于气敏特性测试，即可得到多孔有序气敏薄膜气体传感器，其中穿插在薄陶瓷管内部的铂丝作为加热丝可控制气体传感器的工作温度.其结构示意图和器件成品图如图 3所示.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 气体传感器的结构示意图及器件成品图Fig.3 Gas sensor structure diagram and device finished chart |
2 实验结果分析2.1 In2O3多孔有序气敏薄膜材料的表征单层及双层In2O3多孔有序气敏薄膜的SEM图片如图 4所示.可以发现该气敏薄膜的孔道呈规则的阵列结构排列，且孔道壁呈现纳米片状结构，该形貌能够大大增加气敏材料的比表面积，使敏感材料表面的结合位点增多.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 单层及双层In2O3多孔有序气敏薄膜的SEM图Fig.4 SEM images of monolayer and bilayer In2O3 porous ordered gas sensitive films (a)—单层；(b)—双层. |
2.2 单层In2O3多孔有序气体传感器的气敏特性将所合成的单层In2O3多孔有序气敏薄膜进一步制成气体传感器，并对其进行了气敏特性测试.其中，灵敏度通常用气体传感器置于待测气体前后电阻的比值的方法来定义：若气体传感器的气敏材料在待测气体中的电阻Rgas大于在空气中的电阻Rair，则灵敏度s=Rgas/Rair；若气体传感器的气敏材料在待测气体中的电阻Rgas小于Rair，则灵敏度s=Rair/Rgas.
图 5a是该气体传感器在300~400 ℃的温度范围内对质量分数为100×10-6的丁酮响应曲线.测试结果表明，该气体传感器的最佳工作温度为350 ℃，且此时其对质量分数为100×10-6丁酮的灵敏度为15.37.同时，可以发现该曲线呈现典型的“火山形”.主要是由于两个因素的共同作用：一是气体扩散效应，即与敏感体的利用率有关.当温度较低时，待测气体分子由于没有吸收足够的能量，其扩散速率小于待测气体与气敏材料表面之间的反应速率，气体分子无法到达气敏材料内部，致使敏感体的利用率降低；当温度较高时，待测气体分子的扩散速率增加，大于气体分子与气敏材料表面的反应速率，此时气体分子还未及时与气敏材料之间发生反应就已扩散走了，同样造成敏感体的利用率降低，即气敏材料的灵敏度降低.二是器件的工作温度会影响敏感体的电子迁移率和导电性.当工作温度较低时，待测气体分子没有足够的活化能与气敏材料表面的吸附氧或直接与气敏材料表面发生反应，从而使气体传感器的灵敏度较低；但温度过高时，会使气敏材料表面的吸附氧量减少，从而使气体传感器的灵敏度降低.因此，气体传感器最终会存在一个最佳工作温度，即气体传感器的灵敏度随工作温度变化曲线会呈现出“火山形”.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 单层In2O3多孔有序气体传感器的气敏特性测试结果Fig.5 Gas sensitive characteristic test results of a monolayer In2O3 porous ordered gas sensor (a)—在不同温度下对质量分数为100×10-6的丁酮的灵敏度; (b)—在350 ℃下对不同质量分数丁酮的响应恢复特性曲线; (c)—在350 ℃下对质量分数为100×10-6的丁酮的响应恢复特性曲线; (d)—在350 ℃下对质量分数为100×10-6不同种类气体的灵敏度; (e)—在350 ℃下对质量分数为100×10-6的丁酮的响应恢复特性循环曲线; (f)—长期稳定性灵敏度. |
同时，测试了该气体传感器在最佳工作温度下对不同质量分数丁酮的响应恢复特性曲线，如图 5b所示.该气体传感器的测试范围较宽且线性度良好，拥有较低的检测下限，对质量分数为1×10-6的丁酮的灵敏度为1.80.图 5c是该气体传感器在最佳工作温度下对质量分数为100×10-6的丁酮响应曲线的放大图，测试结果表明，单层In2O3多孔有序气体传感器的响应时间仅为4.3 s.
此外，本实验选择了质量分数为100×10-6的丙酮、甲醇、乙醇、甲苯、甲醛、氨气等多种气体进行气体传感器的选择性测试，发现在最佳工作温度350 ℃的条件下，该气体传感器对丁酮只是表现出一般的选择性，结果如图 5d所示.实验结果表明，单层In2O3多孔有序气体传感器对醇类气体同样具有较好的响应，但对其他气体的响应偏低.图 5e，5f分别是利用质量分数为100×10-6的丁酮对该气体传感器进行了重复性及长期稳定性测试.测试结果表明所制备的单层In2O3多孔有序气体传感器具有较好的重复性及长期稳定性.
2.3 双层In2O3多孔有序气体传感器的气敏特性将双层In2O3多孔有序气敏薄膜制备成气体传感器，并对其进行气敏特性测试.研究了该气体传感器在300~400 ℃温度范围内对质量分数为100×10-6丁酮的灵敏度，如图 6a所示.测试结果表明，该气体传感器的最佳工作温度为375 ℃，且呈现出典型的“火山形”，在此温度下对质量分数为100×10-6的丁酮的灵敏度达到20.45.双层In2O3多孔有序气体传感器的最佳工作温度比单层薄膜气体传感器略高，但灵敏度更高.图 6b表明该传感器的检测范围较宽且线性度良好，且同样能够检测出质量分数低至1×10-6的丁酮气体.其中对质量分数为100×10-6的丁酮的响应恢复特性曲线如图 6c所示，测试结果表明，该双层In2O3多孔有序气体传感器在最佳工作温度下对丁酮具有较高灵敏度的同时，仍然具有较快的响应速度，响应时间为22.7 s，但比单层In2O3多孔有序气体传感器响应时间(4.3 s)长.根据待测气体的扩散速度与待测气体和气敏材料表面之间的反应速度的竞争关系，这是由于双层In2O3多孔有序气敏薄膜中孔道的复杂性，待测气体在双层气敏薄膜材料中的扩散速度更小，需要更高的工作温度为待测气体分子提供更高的动能.同时，由于待测气体在单层In2O3多孔有序气敏薄膜中的扩散速度更快，导致其响应时间更短.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 双层In2O3多孔有序气体传感器的气敏特性测试结果Fig.6 Gas sensitive characteristic test results of a bilayer In2O3 porous ordered gas sensor (a)—在不同温度下对质量分数为100×10-6的丁酮的灵敏度; (b)—在375 ℃下对不同质量分数丁酮的响应恢复特性曲线; (c)—在375 ℃下对质量分数为100×10-6的丁酮的响应恢复特性曲线; (d)—在375 ℃下对质量分数为100×10-6不同种类气体的灵敏度; (e)—在375 ℃下对质量分数为100×10-6的丁酮的响应恢复特性循环曲线; (f)—长期稳定性灵敏度. |
同样对双层In2O3多孔有序气体传感器进行了选择性测试，测试气体种类与2.2节相同.图 6d表明该气体传感器的选择性较好，明显优于单层薄膜的气体传感器，在最佳工作温度下对丁酮的灵敏度明显高于其他气体.由图 5d与图 6d的对比可以发现，除了丁酮以外，对丙酮及甲苯的灵敏度相对于其他干扰气体提高较多，即随着层数的增加，该传感器对酮类气体及苯类气体的灵敏度提高.众所周知，增加气敏材料层数能够有效地增大气敏材料的表面积，而具有较大表面积的气敏材料表面包含的活性位点也较多，但是值得注意的是，不同类型待测气体与气敏材料表面活性位点结合的活性与概率不同.实验所表现出的这种现象说明羰基(—C=O)对该种气敏材料表面的活性位点更为敏感，因此随着气敏材料层数的增加，与材料表面活性位点结合的气体分子数目也增多，进而导致灵敏度的增加.然而单层及双层In2O3多孔有序气敏薄膜对甲醇和乙醇气体的灵敏度相差不大，即醇类气体的灵敏度并不随着层数的增加而增加，这说明羟基(—OH)对该气敏材料表面的活性位点敏感度不高，处于饱和状态，即使增加活性位点的数目，与之结合的气体分子数目也不会产生太大的变化，灵敏度变化不大.因此，随着层数进一步的增加，丁酮和丙酮等酮类气体的灵敏度也会继续提高，而对甲醇和乙醇等醇类气体的灵敏度仍近似保持不变.此外，对双层In2O3多孔有序气体传感器的重复性及长期稳定性测试结果如图 6e，6f所示，都是在最佳工作温度下对质量分数为100×10-6的丁酮的灵敏度，结果表明该气体传感器的重复性和长期稳定性较好.
国内外****针对丁酮气体的检测进行了大量的实验研究，表 1例举了不同气敏材料对丁酮的响应，并与本文所制备的单层及双层In2O3多孔有序气敏薄膜进行比较.可以发现，传统厚膜型气体传感器，包括分等级结构的纳米花[9]、纳米棒[10]、多孔结构[11]、核壳结构[12]等，由于具有较大的比表面积与孔道结构，能够促进待测气体在气敏材料内部的扩散，因此其响应时间能够达到几十秒甚至十几秒.相比之下，本文所制备的单层In2O3多孔有序气敏薄膜传感器，其响应时间仅为4.3 s，且同时具备较高的灵敏度与较低的检测下限(质量分数为1×10-6).
表 1(Table 1)
 表 1 不同气敏材料对丁酮的气敏特性对比Table 1 Comparison of gas sensitive characteristics of different gas sensitive materials to butanone
| 表 1 不同气敏材料对丁酮的气敏特性对比 Table 1 Comparison of gas sensitive characteristics of different gas sensitive materials to butanone |
3 基于多物理场耦合计算的多孔有序薄膜气敏机理分析3.1 多孔有序气敏薄膜的模型构建图 4的SEM表征结果显示，本实验通过气/液界面自组装法和溶液浸渍转移法制备的单层及双层In2O3多孔有序气敏薄膜的孔道结构有序性较高，呈周期性排列，且形状一致性较好，为正六边形结构.此外，尽管每个孔道的形状基本相似，但也存在着细微差别，且一些孔道呈现破裂状态.基于多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics将气敏薄膜的模型进行理想化处理.图 7a，7b分别是单层和双层In2O3多孔有序气敏薄膜的模型.由于本实验需要研究空气及待测气体在气敏薄膜内部的扩散流动情况，包括待测气体的流速分布、待测气体在不同区域的浓度分布及吸附于材料骨架表面的待测气体浓度分布，因此构建出空气域，如图 7c，7d所示，分别对应单层和双层In2O3多孔有序气敏薄膜的空气域模型.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 多孔有序气敏薄膜模型及其空气域模型Fig.7 Porous ordered gas sensitive film models and its air domain models (a)—单层In2O3模型；(b)—双层In2O3模型；(c)—单层In2O3空气域模型；(d)—双层In2O3空气域模型. |
3.2 多孔有序气敏薄膜内部气体传质仿真及分析多孔有序气敏薄膜内部气体传质仿真包括气体在气敏薄膜内部不同时刻、不同区域的流速分布、浓度分布以及在材料骨架表面不同位置上的吸附气体浓度分布.其中，气体在单层及双层多孔有序气敏薄膜内部的流速分布如图 8a，8b所示.结果表明，气体在单层气敏薄膜内部的流速明显高于在双层气敏薄膜内部的流速，意味着单层气体传感器比双层气体传感器的最佳工作温度更低，响应时间更短，很好地解释了实验中的气敏现象.
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 单层及双层多孔有序气敏薄膜内部气体传质仿真结果Fig.8 Simulation results of gas mass transfer in monolayer and bilayer porous ordered gas sensitive film (a)—单层薄膜内部的流速分布切面图; (b)—双层薄膜内部的流速分布切面图; (c)—单层薄膜内部的浓度分布切面图; (d)—双层薄膜内部的浓度分布切面图; (e)—单层薄膜材料骨架上吸附的气体浓度分布图; (f)—双层薄膜材料骨架上吸附的气体浓度分布图. |
同时，气体在单层及双层多孔有序气敏薄膜内部的浓度分布切面图如图 8c，8d所示.实验结果表明，气体在双层气敏薄膜内部的浓度梯度更大，在单层气敏薄膜内部的浓度分布更加均匀.由于气体在单层气敏薄膜内部的流速更快致使其浓度分布更加均匀，与气体在气敏薄膜内部的流速分布结果相符.此外，气体在单层及双层多孔有序气敏薄膜材料骨架上的吸附气体浓度分布如图 8e，8f所示，结果显示，材料骨架上吸附气体浓度的整体分布趋势与气体在气敏薄膜内部空间中的浓度分布相同，即在双层气敏薄膜中的浓度梯度更大.气体在单层气敏薄膜内部的扩散流动更快，因此位于出口处的气敏材料会比双层气敏薄膜材料更快进入吸附脱附平衡状态，即响应时间更短.与气敏特性测试结果吻合.
气敏材料在一定的气体浓度范围内，吸附于材料骨架上的待测气体越多，材料电阻变化就越大，因此可以认为两者之间正相关.从而可以把气敏材料骨架上吸附气体含量随时间的变化曲线，近似作为气体传感器的响应恢复特性曲线.气体在单层及双层多孔有序气敏材料骨架上吸附气体浓度分布的仿真结果存在一个数据集，该数据集包括任意时刻任意区域的材料骨架上吸附气体的浓度值，利用积分函数对数据集中所有区域的浓度值进行积分，便可以分别绘制成气敏材料骨架上待测气体吸附量随时间变化的曲线，如图 9所示.结果表明，该仿真曲线与实验中气体传感器的响应恢复特性曲线的整体趋势相同.此外，可以明显发现双层气敏薄膜材料骨架上吸附气体的量更多，也就代表双层气敏薄膜材料的电阻下降得更多，即灵敏度更高.这也解释了双层In2O3多孔有序气体传感器的灵敏度(20.45)高于单层In2O3多孔有序气敏薄膜的灵敏度(15.37).
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 薄膜材料骨架上待测气体吸附量随时间变化曲线Fig.9 Adsorption capacity of measured gas on theskeleton of film material varies with time |
4 结论1) 利用气/液界面自组装法和溶液浸渍转移法制备了单层和双层In2O3多孔有序气敏薄膜，制备的气体传感器表现出对丁酮气体优异的气敏特性.单层In2O3多孔有序气体传感器在最佳工作温度350 ℃的条件下对100×10-6丁酮的灵敏度为15.37，响应时间仅为4.3 s，且可以检测出质量分数为1×10-6的丁酮气体，且在较宽的检测范围内线性度良好.双层In2O3多孔有序气体传感器在最佳工作温度375 ℃的条件下对100×10-6丁酮的灵敏度为20.45，响应时间为22.7 s，同样可以检测出质量分数为1×10-6的丁酮.双层In2O3多孔有序气体传感器相比于单层薄膜气体传感器的最佳工作温度更高、灵敏度更高、响应时间更长，这与气敏材料的比表面积及孔道结构密切相关.
2) 利用COMSOL Multiphysics对单层及双层In2O3多孔有序气敏薄膜进行几何建模及多物理场耦合分析.通过搭载层流、稀物质传递、表面反应等物理场，分析了气体在气敏薄膜内部的流速分布、浓度分布及气敏薄膜材料骨架上吸附气体浓度分布.结果表明，气体在单层气敏薄膜内部的流速更快，浓度分布更加均匀，表现为响应时间更短、最佳工作温度更低；而双层气敏薄膜材料骨架上吸附气体的量更多，表现为电阻下降更多，即灵敏度更高.仿真结果与气敏特性测试结果吻合较好.
参考文献
| [1] | Majhi S M, Mirzaei A, Kim H W, et al. Recent advances in energy-saving chemiresistive gas sensors: a review[J]. Nano Energy, 2021, 79: 105369. DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105369 |
| [2] | 司建朋, 孟丹, 赵嘉, 等. Co3O4三维花状结构材料的制备及其气敏特性研究[J]. 沈阳化工大学学报, 2021, 35(2): 114-120. (Si Jian-peng, Meng Dan, Zhao Jia, et al. Preparation and gas sensitive properties of Co3O4 3D flower structure materials[J]. Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2021, 35(2): 114-120.) |
| [3] | 游宇, 司建朋, 陆一鸣, 等. CuO花状微球的可控合成及在气体传感器应用研究[J]. 沈阳化工大学学报, 2021, 35(3): 199-204. (You Yu, Si Jian-peng, Lu Yi-ming, et al. Controllable synthesis of CuO flower microspheres and their application in gas sensors[J]. Journal of Shenyang University of Chemical Technology, 2021, 35(3): 199-204.) |
| [4] | 储宇星, 刘海瑞, 闫爽. SnO2/NiO复合半导体纳米纤维的制备及气敏性能研究[J]. 无机材料学报, 2021, 36(9): 950-958. (Chu Yu-xing, Liu Hai-rui, Yan Shuang. Preparation and gas sensitive properties of SnO2/NiO composite semiconductor nanofibers[J]. Journal of Inorganic Materials, 2021, 36(9): 950-958.) |
| [5] | 苑振宇, 类延峰, 董慧, 等. 基于动态温度调制的氧化锌纳米气体传感器敏感分析[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2021, 42(4): 469-477. (Yuan Zhen-yu, Lei Yan-feng, Dong Hui, et al. Sensitivity analysis of ZnO nanometer gas sensor based on dynamic temperature modulation[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2021, 42(4): 469-477.) |
| [6] | 王美涵, 魏丽颖, 王冠杰, 等. RGO/WO3复合薄膜的制备及应用进展[J]. 沈阳大学学报(自然科学版), 2021, 33(3): 191-197. (Wang Mei-han, Wei Li-ying, Wang Guan-jie, et al. Progress in preparation and application of RGO/WO3 composite films[J]. Journal of Shenyang University(Natural Science), 2021, 33(3): 191-197.) |
| [7] | 刘子豪, 贾翠萍, 朱海丰, 等. 静电纺丝法制备In2O3纳米纤维及其气敏性能[J]. 微纳电子技术, 2021, 58(8): 743-749. (Liu Zi-hao, Jia Cui-ping, Zhu Hai-feng, et al. In2O3 nanofibers prepared by electrostatic spinning and their gas sensitive properties[J]. Micro-nano Electronics, 2021, 58(8): 743-749.) |
| [8] | Korotcenkov G. Gas response control through structural and chemical modification of metal oxide films: state of the art and approaches[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2005, 107(1): 209-232. DOI:10.1016/j.snb.2004.10.006 |
| [9] | Bhowmik B, Manjuladevi V, Gupta R K, et al. Highly selective low-temperature acetone sensor based on hierarchical 3D TiO2 nanoflowers[J]. IEEE Sensors Journal, 2016, 16(10): 3488-3495. DOI:10.1109/JSEN.2016.2530827 |
| [10] | Oliveira T N T, Zito C A, Perfecto T M, et al. ZnO twin-rods decorated with Pt nanoparticles for butanone detection[J]. New Journal of Chemistry, 2020, 44(36): 15575-15583. |
| [11] | Liu X H, Qin X X, Ji H M, et al. An enhanced butanone sensing performance of Er0.7Yb0.3FeO3 material with the proper electronic structure[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2020, 772: 263-271. |
| [12] | Vioto G C N, Perfecto T M, Zito C A, et al. Enhancement of 2-butanone sensing properties of SiO2@CoO core-shell structures[J]. Ceramics International, 2020, 46(14): 22692-22698. DOI:10.1016/j.ceramint.2020.06.032 |
