Enhanced Humidity Sensing Properties of Surfactant-Free Hydrothermally Synthesized Tin Oxide Nanoparticles

Abstract

Метал-оксидні напівпровідникові наноматеріали широко використовуються для застосування в сонячних елементах, акумуляторах, газових датчиках, оптоелектроніці, фотокаталізі та генерації водню. Датчики вологості на основі метал-оксидних напівпровідників показали значний внесок у галузі моніторингу навколишнього середовища, харчових технологій та біотехнологій. Серед різноманітних метал-оксидних напівпровідників наночастинки оксиду олова (SnO2) викликають більший інтерес завдяки їх високій хімічній стабільності, високій прозорості та низькому електричному поверхневому опору. У роботі наночастинки SnO2 були синтезовані за допомогою простого гідротермального процесу без використання будь-яких поверхнево-активних речовин. Синтезовані наночастинки досліджували за допомогою XRD, SEM, EDAX, UV-visible та вимірювань вологості. Дослідження структурних властивостей зразків з використанням аналізу XRD свідчать про те, що синтезовані наночастинки SnO2 мають чисту кристалічну фазу з тетрагональною кристалічною структурою просторової групи P42/mnm. Морфологія поверхні, проаналізована за допомогою мікрофотографії SEM, показала агломеровані наночастинки без будь-якої конкретної структури. Оптична характеризація за допомогою UV-visible спектроскопії виявила, що синтезовані наночастинки мають сильне поглинання в UV області. Чутливість до вологості, проаналізована на основі зміни питомого електричного опору з відносною вологістю (% RH), показала гарну гістерезисну поведінку, а спостережувані зміни електричної провідності пояснюються на основі механізму протонної провідності на поверхні.

Metal oxide semiconductor nanomaterials have been widely used for applications in solar cells, batteries, gas sensors, optoelectronics, photocatalysis and hydrogen generation. Humidity sensors based on metal oxide semiconductors have shown significant contribution in the field of environmental monitoring, food technology and biotechnology. Among the various metal oxide semiconductors, tin oxide (SnO2) nanoparticles have generated more interest due to their excellent chemical stability, high transparency and low electrical sheet resistance. In the present work, SnO2 nanoparticles were synthesized by employing a simple hydrothermal process without using any surfactant. The synthesized nanoparticles were investigated using XRD, SEM, EDAX, UV-visible and humidity sensing measurements. The structural property of the sample investigated using XRD analysis indicated that the synthesized SnO2 nanoparticles have pure crystalline phase with a tetragonal crystal structure of the P42/mnm space group. The surface morphology analyzed using SEM micrograph showed agglomerated nanoparticles without any specific structure. Optical characterization using UV-visible spectroscopy indicated that the synthesized nanoparticles have strong absorption in the UV region. The humidity sensing property analyzed from the variation of electrical resistivity with relative humidity (% RH) showed good hysteresis behavior and the observed variation in electrical conduction is explained based on protonic conduction mechanism on the surface.