納米In₂O₃的制備工藝及應(yīng)用進(jìn)展

盛源浩

In2O3納米材料因其穩(wěn)定、禁帶較寬、導(dǎo)帶性較好等優(yōu)點(diǎn)受到人們廣泛研究，應(yīng)用于光電、光催化、氣敏元件等領(lǐng)域。綜述對(duì)In2O3從不同制備工藝及應(yīng)用情況進(jìn)行了論述，并提出了In2O3在光催化和氣敏性方面的發(fā)展趨勢(shì)及努力方向。

隨著科技的不斷進(jìn)步，納米材料近年來(lái)呈現(xiàn)了日新月異的發(fā)展趨勢(shì)。納米材料的表征及分析技術(shù)的革新，使得人們對(duì)這種材料的認(rèn)識(shí)更加深入。納米材料由于其具有小尺寸效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)等特性，因此催化活性比塊體材料更加優(yōu)異，備受科學(xué)工作者青睞。

In2O3是一種重要的n型半導(dǎo)體材料，因其具備高可見(jiàn)光透過(guò)率、高電導(dǎo)率、催化活性較好等優(yōu)點(diǎn)，在光電、催化劑、氣敏元件等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文從In2O3的合成方法，如化學(xué)氣相沉積法、模板法、水熱法等，以及這些方法的應(yīng)用情況和存在的問(wèn)題進(jìn)行了論述，并提出了In2O3納米材料的發(fā)展趨勢(shì)及努力方向。

1.納米In203的制備工藝

1.1化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法（即CVD方法）指一種或幾種單質(zhì)或化合物作為底物，在適當(dāng)條件下，以氣態(tài)形式發(fā)生反應(yīng)，通過(guò)冷卻使得產(chǎn)物沉積于沉底上形成目標(biāo)產(chǎn)物的一種工藝，是一種常見(jiàn)的材料制備方法。由于該實(shí)驗(yàn)方法操作簡(jiǎn)單，容易控制等優(yōu)點(diǎn)，受到關(guān)注。

然而由于缺乏前體In2O3，薄膜很難通過(guò)具有高蒸氣壓和低分解的材料溫度的熱CVD方法來(lái)進(jìn)行制備。Bloor等在450℃通過(guò)氣溶膠輔助化學(xué)方法（AACVD）沉積在玻璃基材上下沉積得到In2O3薄膜，可檢測(cè)還原性氣體，如C0、氨氣和氧化性氣體如NO2。Wang等通過(guò)低溫金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法制得了In2O3納米顆粒，并研究了10nm厚的含In2O3顆粒層對(duì)NOx和02氣體的響應(yīng)。發(fā)現(xiàn)可檢測(cè)的最低NOx濃度為200ppb，傳感器性能非常依賴于氣體的分壓和工作狀態(tài)的溫度。傳感器對(duì)于200ppm的NOx的響應(yīng)高達(dá)104。此外，對(duì)02的交叉敏感性非常低，表明In2O3納米顆粒非常適合于選擇性NOx檢測(cè)。但是，該方法所需設(shè)備較精密，價(jià)格昂貴，成本較高，實(shí)際生產(chǎn)中難以推廣。

1.2模板法

模板法是一種合成納米材料的有效方法，與一般合成方法相比，無(wú)論化學(xué)反應(yīng)體系是液體還是氣態(tài)，其反應(yīng)的區(qū)域都能得到有效的控制。其諸多優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：可準(zhǔn)確控制目標(biāo)納米材料的尺寸、形貌及性質(zhì)；合成與組裝可同步進(jìn)行并提供納米材料分散性；操作過(guò)程較容易。結(jié)果證明，經(jīng)過(guò)Ps模板得到的材料呈現(xiàn)空心球狀結(jié)構(gòu)，其外壁由更小的納米粒子堆積所形成。

1.3水熱法

水熱反應(yīng)是指在高溫、高壓的條件下，在封閉的高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。其特點(diǎn)表現(xiàn)為操作簡(jiǎn)單，設(shè)備成本較低，條件可控，所得的納米顆粒的晶相純度高、分散性較好、晶面可控，被認(rèn)為是一種適宜的制備方法，廣泛用于制備納米材料。

Li等人利用水熱過(guò)程中調(diào)控不同溶劑的方法，得到了不同形貌的前驅(qū)體In（OH）3，經(jīng)過(guò)高溫煅燒得到了三種結(jié)構(gòu)，分別為多孔微球、納米立方體和納米盤(pán)。Li等人利用水熱法合成多孔納米一微米立方結(jié)構(gòu)的In2O3。Fu等人在工作中，通過(guò)加入六亞甲基四胺，并以In（NO3）3為In源制備出了棒狀的In2O3。

2.納米ln203的應(yīng)用

2.1納米In203在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用

hi203是一種寬帶隙的半導(dǎo)體材料，可以被大于帶隙能的吸收光子的能量所激發(fā)，產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，與吸附在表面的底物分別發(fā)生氧化和還原反應(yīng)。目前In2O3在光催化降解等方面已經(jīng)取得了一些成果。Wang等利用水熱法成功制備出胡桃狀的In2O3納米球，可見(jiàn)光降解羅丹明B活性在300min內(nèi)可以降解完全，表現(xiàn)出良好的活性。Wu等通過(guò)水熱法結(jié)合熱處理合成出了3D花狀多孔菱形 （rh-In2O3）納米結(jié)構(gòu)。在可見(jiàn)光下，實(shí)現(xiàn)光催化降解四環(huán)素，表現(xiàn)出了良好的性能。Zhang等通過(guò)P123輔助的溶劑熱過(guò)程，制備了體心立方氧化銦（bcc-In2O3）空心微球，表現(xiàn)出較高的光催化降解氣體甲苯的效率。

2.2納米In2O3在光電領(lǐng)域的應(yīng)用

In2O3過(guò)去在顯示器、太陽(yáng)能電池等光電器件領(lǐng)域應(yīng)用較廣，對(duì)其電學(xué)特性研究較多。近年來(lái)，人們開(kāi)始對(duì)其光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，因?yàn)檠趸煂儆趎型透明半導(dǎo)體氧化物，禁帶寬度較大和電阻率較小，是一種較好的導(dǎo)電材料。人們將其制備成透明導(dǎo)電氧化物（TCO）薄膜而廣泛應(yīng)用于各種光電器件設(shè)備。此外，經(jīng)過(guò)摻雜金屬元素，如鈦、鉬等可使得TCO薄膜具有較好的的透光性和導(dǎo)電性。Kang等在研究中，為了改善金屬氧化物在低溫溶液反應(yīng)形成的In2O3薄膜晶體管（TFT），利用硝酸銦膜，暴露于紫外一臭氧30分鐘，然后在200℃退火。研究結(jié)果表明，硝酸銦在處理后發(fā)生冷凝，紫外線臭氧減少了氧空位的數(shù)量，并增加氧化銦膜中金屬一氧一金屬鍵的數(shù)量，使得其電器件性能較高。

2.3納米In2O3在氣敏傳感器中的應(yīng)用

In2O3材料存在較多的氧空位和離子間隙，提供了反應(yīng)的活性位以及電子轉(zhuǎn)移通道，且具有高的比表面積，有利于對(duì)底物的物理吸附、化學(xué)吸附，這些使得納米In2O3作為氣體傳感材料具備高靈敏度、高響應(yīng)和高選擇性等優(yōu)點(diǎn)，在該氣體傳感器領(lǐng)域取得了一定的進(jìn)展。Patil等在研究中，通過(guò)使用簡(jiǎn)單的噴霧熱解法沉積得到立方晶體結(jié)構(gòu)氧化銦（In2O3）厚膜。In2O3膜以0.07M溶液濃度沉積時(shí)檢測(cè)到的最大傳感器響應(yīng)（ Rg/Ra）在150°C時(shí)，對(duì)于100ppm的N02氣體，為33.45；Shaalan等提出了一種制作氧化銦（In2O3）透明薄膜用于甲烷氣體傳感器的簡(jiǎn)單方法。使用銦作為原料以通過(guò)簡(jiǎn)化的熱蒸發(fā)法引導(dǎo)In2O3膜的沉積膜的透射率（T）高達(dá)96%。光學(xué)帶隙（Eg）為3.68eV。制備的薄膜可檢測(cè)濃度遠(yuǎn)低于爆炸極限的CH4氣體，表現(xiàn)出很好的傳感器響應(yīng)特性和穩(wěn)定性。

3.結(jié)論與展望

納米In2O3因其具有高可見(jiàn)光透過(guò)率、高電導(dǎo)率、催化活性較好等優(yōu)點(diǎn)，在氣敏元件、光電、催化劑等領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。對(duì)于材料的合成方面，在制備工藝的選擇上、制備條件的精確控制上，以及在應(yīng)用方面的拓展取得了一定進(jìn)展，達(dá)到了一些效果。但是，目前還存在一些亟待解決的問(wèn)題，如對(duì)高純度的H-In2O3的制備工藝有待進(jìn)一步提高、如何對(duì)納米In2O3材料進(jìn)行更精準(zhǔn)的調(diào)控、如何提高催化性能等，如何深入研究催化機(jī)理及氣敏機(jī)理，這些將成為今后重要研究?jī)?nèi)容，需要科研工作者為發(fā)展高性能納米In2O3材料進(jìn)行進(jìn)一步研究。