镨掺杂硒化镉薄膜的制备及其在增强氨气传感性能中的应用与机理研究

　　本文推荐了一项关于镨（Pr）掺杂硒化镉（CdSe）薄膜用于高性能氨气（NH3）传感的研究。研究人员通过喷雾热解法成功制备不同浓度Pr掺杂的CdSe薄膜，系统研究了其结构、光学及气敏特性。结果表明，3% Pr掺杂样品在室温下对250 ppm NH3的响应值高达259，响应/恢复时间为9.84 s/10.93 s，并表现出良好的选择性和长期稳定性。该研究为开发高灵敏度、低功耗的气体传感器提供了新材料设计与实验依据。

　　

随着工业发展和环境污染问题日益严重，有害气体如氨气（NH₃）的检测成为环境监测和化工安全中的重大挑战。氨气不仅是一种常见的有害工业废气，还会对人体健康和生态环境造成严重危害。因此，开发高灵敏度、高选择性、快速响应且能在室温下工作的气体传感器具有重要意义。硒化镉（CdSe）作为一种II-VI族n型半导体，具有较窄的带隙和良好的光电特性，已被探索用于多种光电器件中。然而，纯CdSe在气体传感应用中仍面临灵敏度不高、响应恢复慢、稳定性较差等问题。通过元素掺杂调控其电子结构和表面特性是提升其气敏性能的有效途径。

在这项发表于《Journal of the Society for Cardiovascular Angiography》的研究中，研究人员采用低成本喷雾热解法（Nebulizer Spray Pyrolysis, NSP）在玻璃基底上成功制备了不同浓度（0%–5%）镨（Pr）掺杂的CdSe薄膜，并系统研究了其结构、形貌、光学及气敏性能。研究发现，适度的Pr掺杂能够显著改善CdSe薄膜的结晶质量、增加氧空位浓度、调节能带结构，从而有效提升其对NH₃的传感性能。其中，3% Pr掺杂的CdSe薄膜表现出了最优的气体响应特性。

在研究过程中，作者运用多种材料表征与性能测试技术，主要包括：X射线衍射（XRD）分析薄膜的晶体结构和取向；场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察表面形貌和颗粒分布；能谱分析（EDX）验证元素组成；紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）和光致发光光谱（PL）研究光学性能和缺陷状态；使用源表（Source Meter）测试气体传感过程中的电流响应，并计算响应值、响应及恢复时间。

研究结果部分显示，通过多项分析手段，团队得出了以下结论：

“XRD分析”表明，所有CdSe:Pr薄膜均具有六方纤锌矿结构，且以（002）晶面为主要取向。随着Pr掺杂浓度增加，衍射峰强度先增强后减弱，3%掺杂时结晶度最高，晶粒尺寸最大（62 nm），应变最小，说明该浓度下Pr³⁺有效替代Cd²⁺位点，促进了晶体生长。

“FESEM分析”显示，Pr掺杂明显影响薄膜的表面形貌和颗粒尺寸。3%和4%掺杂的样品颗粒尺寸最大，表面粗糙度增加，形成了更多气体吸附活性位点。EDX谱图证实Pr已成功掺入CdSe矩阵。

“光致发光分析”表明，Pr掺杂显著增强了CdSe薄膜在530 nm和685 nm处的发光强度，这分别归因于氧空位相关缺陷和硒空位导致的激子复合。3%掺杂样品显示出最高的缺陷发光强度，说明其具有最多的活性吸附位点。

“紫外-可见吸收分析”通过Tauc作图计算带隙大小，发现随着Pr掺杂浓度增加，CdSe的光学带隙从纯样的2.47 eV逐渐减小到3%掺杂时的2.15 eV，这有利于电子跃迁和导电性提升，进而增强气敏响应。

“气体传感研究”部分系统评估了薄膜对不同浓度NH₃（50–250 ppm）的敏感特性。3% Pr-CdSe薄膜对250 ppm NH₃的响应值高达259，响应时间和恢复时间分别为9.84 s和10.93 s，远优于其他掺杂比例和多数文献报道的CdSe基传感器。该传感器还表现出良好的选择性（对NH₃响应最强）、重复性（连续10次循环稳定性良好）和长期稳定性（50天内性能衰减较小）。湿度实验表明，适当湿度有助于提升响应，归因于水分子促进了NH₃的离解和质子传导。

研究结论与讨论部分强调，Pr掺杂通过引入氧空位和调节能带结构显著增强了CdSe对NH₃的气敏性能。3%为最优掺杂浓度，能在保持良好结晶性的同时最大化表面活性位点数量。该研究不仅为新型室温氨气传感器材料的设计提供了重要实验依据，也展示了稀土掺杂在改善半导体气体传感器性能方面的潜力，对大气污染监测、化工安全及医疗诊断设备开发具有重要应用价值。