王永勤，黃揚(yáng)澤，付 宇

（南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210037）

金屬氧化物被認(rèn)為是目前最有前途的功能材料之一， 是由金屬陽離子和氧陰離子組成的離子化合物。 金屬陽離子和氧陰離子之間靜電引力的相互作用形成了牢固的固體離子鍵。 由于離子鍵不具有方向性和飽和性， 有利于正負(fù)離子的空間堆積而無限延展成不同的晶體結(jié)構(gòu)， 從而表現(xiàn)出獨(dú)特的物理性質(zhì)， 可以涵蓋從絕緣體到超導(dǎo)體以及磁性材料性能的所有不同方面。在化學(xué)結(jié)構(gòu)上，通常金屬氧化物的s軌道完全被填滿， 所以大多數(shù)金屬氧化物具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。另一方面，部分金屬氧化物的d軌道沒有被完全填充， 使它們具有各種獨(dú)特的性能，如寬的能帶間隙、高的介電常數(shù)、活躍的電子轉(zhuǎn)移能力以及優(yōu)異的導(dǎo)電性、光學(xué)性能、電致變色性能、氣敏性能、快速響應(yīng)等性能，使金屬氧化物能應(yīng)用于光、電、磁、傳感等不同的領(lǐng)域，包括介電電容器、鐵電存儲器、壓電傳感器、光發(fā)射、光電檢測、光催化劑、氣體傳感器、場效應(yīng)晶體管、燃料電池、磁性元件和太陽能電池等［1］。 到目前為止，金屬氧化物已經(jīng)成為一類非常重要的半導(dǎo)體材料， 因其豐富可變的性能可滿足不同的應(yīng)用需求， 使其具備更加廣泛的應(yīng)用前景。

然而， 單一的金屬氧化物也存在著自身的固有缺陷，如光量子產(chǎn)率和光電轉(zhuǎn)換效率低、光生電子和空穴復(fù)合幾率大， 價(jià)帶和導(dǎo)帶對電子傳遞性能的消極作用、 氣體響應(yīng)速度低等缺陷嚴(yán)重限制了金屬氧化物的應(yīng)用潛力， 使它們在應(yīng)用上存在一定的局限性。 近年來，科研人員通過摻雜、偏置或通過改變化學(xué)計(jì)量和工藝條件（例如，溫度、頻率和壓力）等使金屬氧化物表現(xiàn)出特定的物理和化學(xué)特性。其中，摻雜是一種低廉、可靠、操作簡便的方法。因此，利用摻雜金屬的特性來彌補(bǔ)金屬氧化物的不足， 從而產(chǎn)生晶體缺陷和引入新的雜質(zhì)能級來實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的物理性質(zhì)。和純相金屬氧化物相比，由金屬摻雜而構(gòu)成的幾種典型的摻雜型金屬氧化物具有更好的導(dǎo)電性、光催化性、室溫鐵磁性和氣敏傳感性等性質(zhì)，日益受到科研界的關(guān)注。本文旨在對于近年來摻雜型氧化鋅、二氧化鈦、 三氧化二鐵、 稀土氧化物4 類氧化物的光、電、磁、傳感等性能的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為未來的發(fā)展方向及改進(jìn)提供相應(yīng)參考。

1 氧化鋅（ZnO）

ZnO 作為一種新型的Ⅱ～Ⅵ族半導(dǎo)體材料，具有成本低、無毒、對環(huán)境友好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但ZnO 的禁帶寬度較寬（最大為3.37 eV），導(dǎo)致其光、電性能較低。 因此，通過摻雜過程改性ZnO 的方法得到了廣泛的研究。

1.1 光性能

通過適當(dāng)引入一些金屬原子可以有效提高ZnO的光催化效率， 進(jìn)而使催化劑對光的吸收范圍擴(kuò)展至可見光區(qū)［2］。 R.Rooydell 等［3］報(bào)道了使用具有Zn和Cu 雙金屬乙酰丙酮化物前驅(qū)體來制造Cu 摻雜的ZnO 納米棒。 通過調(diào)控合適的工藝參數(shù)可以有效地控制Cu 摻雜納米棒的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。 光催化降解的結(jié)果表明，Cu 摻雜的ZnO 納米棒顯示出更快的染料降解速率。該方法具有操作簡單、產(chǎn)品效率高、反應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

M.Wang 等［4］以溶劑熱法-光化學(xué)沉積法制備三維層餅狀的Ag 摻雜ZnO 復(fù)合材料 （Ag/ZnO/Ag）和以超聲噴霧熱解-水熱兩步法在玻璃襯底上合成不同錳（Mn）濃度摻雜的Mn/ZnO 納米棒。 Ag/ZnO/Ag復(fù)合材料的可見光光催化羅丹明B 降解速率比未摻雜層餅狀ZnO 快近5 倍。 這是由于ZnO 與Ag 納米顆粒雜化后的電子轉(zhuǎn)移速率增加。 而Mn 的摻入使亞甲基藍(lán)光降解速率提高， 激發(fā)了新核的形成和更快的晶體生長， 獲得更密集和更大直徑的氧化鋅納米棒（ZnO NR）陣列。 而ZnO NR 陣列表面積的提高， 可以產(chǎn)生更多的自由電子和空穴以用于亞甲基藍(lán)染料分子的降解。

1.2 電性能

改變ZnO 電學(xué)性質(zhì)最有效的方法之一是金屬摻雜。通過摻雜Au 和Al 等金屬可以改善ZnO 自身的電學(xué)性能，使ZnO 在電學(xué)方面具有很大的應(yīng)用前景。

D.L.Xin 等［5］使用射頻濺射技術(shù)在玻璃基板上制備了具有不同晶粒尺寸的Al 摻雜ZnO 膜并且測量了每種膜電阻率的溫度依賴性。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在600 K 和650 K 溫度下沉積的2%和4%Al 摻雜的ZnO 薄膜的電阻率的溫度依賴性呈現(xiàn)金屬特征，在此情況下，Al 摻雜ZnO 薄膜的電輸運(yùn)性質(zhì)與金屬相同。

Y.Sun 等［6］通過溶液-回流方法成功合成了一種由氧化石墨烯（rGO）負(fù)載的Co 摻雜的ZnO 納米粒子組成的新型分層混合納米結(jié)構(gòu)。 這種材料良好的電化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的耐甲醇性能優(yōu)于商用Pt/C 催化劑， 證明了Co 摻雜的半導(dǎo)體ZnO 納米材料作為新型ORR 電催化劑的可行性。

1.3 磁性能

通常情況下， 載體介導(dǎo)的機(jī)制對于室溫鐵磁性（RTFM）的起源并不起主要作用，而結(jié)構(gòu)缺陷卻起著關(guān)鍵作用， 如：O 空位和Zn 間隙等缺陷是RTFM 出現(xiàn)的原因。 大量研究也表明RTFM 可以通過ZnO 中摻雜過渡金屬雜質(zhì)來實(shí)現(xiàn)［7］。

A.Karim 等［8］合成了Co 摻雜的ZnO 納米棒，研究不同形式的過渡金屬（TM）摻雜ZnO 納米結(jié)構(gòu)材料的RTFM。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)：位于納米棒表面的氧空位等缺陷是RTFM 的來源， 并且納米晶材料中的鐵磁性及其大小可以通過在不同的氣氛中對樣品進(jìn)行退火來調(diào)節(jié)， 從而保證了摻雜TM 的ZnO 可以用于磁性器件。

J.J.Beltrán 等［9］研究了溶膠-凝膠法合成的Fe 摻雜ZnO 納米粉末的磁學(xué)性質(zhì)。

1.4 傳感性能

基于金屬氧化物的氣體傳感器需要大約200～400 ℃的高操作溫度或紫外線激活以消除水分或其他吸附的化學(xué)物質(zhì)，并誘導(dǎo)化學(xué)吸附ZnO 表面，限制了這種傳感器的商業(yè)化。 為了降低此過程的操作溫度，金屬摻雜已被用于增強(qiáng)氣體分子的吸附和解吸［10］。

L.Liu 等［11］通過靜電紡絲和煅燒技術(shù)來合成Co摻雜的ZnO 納米纖維，如圖1 所示。 研究結(jié)果表明，0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Co 摻雜的ZnO 納米纖維在360 ℃可以更有效地提高ZnO 納米纖維的丙酮敏感性，Co摻雜ZnO 納米纖維即使在混合氣氛中也能成功區(qū)分丙酮和乙醇/甲醇，這歸結(jié)于纖維的一維納米結(jié)構(gòu)與共摻雜效應(yīng)。 結(jié)果證實(shí)Co 摻雜的ZnO 納米纖維可以在高性能丙酮傳感器中得到應(yīng)用。 M.Meshki等［12］設(shè)計(jì)了一種摻Fe 的ZnO（FeZnO）納米棒，并應(yīng)用于電化學(xué)傳感器中以測定磺胺甲惡唑（SMX）和磺胺甲唑（SMT）。

圖1 純的（a），0.3%（b），0.5%（c）（插圖顯示相應(yīng)的TEM 圖）和1%（d）的Co 摻雜的ZnO 納米纖維的SEM 圖［11］Fig.1 SEMimagesofpure（a），0.3%（b），0.5%（c）（theinsertshowsa correspondingTEMimage）and1%（d）Co-dopedZnOnanofibers［11］

2 二氧化鈦（TiO2）

TiO2作為一種性能優(yōu)異的n 型氧化物半導(dǎo)體材料，具有無毒、氧化能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、孔隙率高、介電常數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。 然而，由于TiO2的帶隙相對較大（3.2 eV）、載流子復(fù)合率過高、空穴容易復(fù)合等缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用。 為了解決這一問題，通過對TiO2體系進(jìn)行摻雜，以引入缺陷結(jié)構(gòu)，減小禁帶寬度和空穴復(fù)合概率，進(jìn)而提高其性能。

2.1 光性能

金屬摻雜可以在TiO2晶格中引入缺陷和改變結(jié)晶狀態(tài)，抑制電子和空穴的復(fù)合，提高量子效率，降低帶隙能量，以獲得更大范圍的太陽光譜。同時(shí)金屬摻入后可以改變相應(yīng)的能級結(jié)構(gòu)，減小禁帶寬度，使電子躍遷所需要的能量變小， 光譜響應(yīng)范圍向可見光區(qū)移動(dòng)，提高對可見光的利用率。

S.Demirci 等［13］通過溶膠-凝膠旋涂技術(shù)在硅襯底上成功合成了Ag 摻雜的TiO2薄膜， 在紫外光照射下， 不同Ag 含量的TiO2薄膜對亞甲基藍(lán)降解的光催化活性表明，Ag 摻雜TiO2可提高TiO2薄膜在紫外光照射下的光催化活性。 例如，0.7%Ag 摻雜TiO2薄膜比未摻雜和其他Ag 含量摻雜的TiO2薄膜具有更好的光催化活性。 這項(xiàng)研究表明Ag 摻雜薄膜具有高效處理水中有機(jī)污染物的潛力。

Ilknur Alt?n 等［14］通過溶膠-凝 膠法在表面活性劑Triton X100 或Tween 20 存在下合成新的鈷摻雜二氧化鈦（Co/TiO2）光催化劑。 表面活性劑的處理獲得了更小的顆粒并提高了催化劑的光催化作用。Co/TiO2催化劑進(jìn)一步用酞菁改性（Pc/Co/TiO2）以促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移的染料敏化。 光催化研究表明， 通過引入Pc，Co/TiO2在可見光照射下的光催化降解/去除能力大大提高。 在催化劑制備過程中添加表面活性劑可以極大地提高其去除廢水中的無機(jī)/有機(jī)污染物的能力。

Y.Liu 等［15］采用液相沉積法制備了連續(xù)致密的無裂隙Fe 摻雜TiO2薄膜。 制備好的薄膜用作光陽極，并用于不銹鋼（304SS）的光生陰極保護(hù)。

2.2 電性能

通過在TiO2內(nèi)摻雜Ag、Nb 等金屬，引入雜質(zhì)能級和缺陷位置，增加電子的捕獲，減小電子和空穴復(fù)合概率，從而提高電轉(zhuǎn)換效率。

L.Wei 等［16］通過水熱法制備Ag 摻雜的TiO2，并用作陽極以改善太陽能電池的性能。 當(dāng)Ag 摻雜時(shí)，導(dǎo)帶邊緣移動(dòng)到較低的位置。Ag 的沉積不僅有利于有效的電荷轉(zhuǎn)移，而且可以使電荷重組過程最小化，導(dǎo)致電流顯著增強(qiáng)。 L.Lu 等［17］在室溫下使用反應(yīng)遠(yuǎn)程等離子體濺射沉積并隨后在280 ℃退火30 min來沉積具有優(yōu)異透明度和導(dǎo)電性的Nb 摻雜TiO2（TNO）涂層，見圖2。

圖2 沉積涂層的明場TEM 圖（a）和相應(yīng)的納米束電子衍射圖（b）［17］Fig.2 As-deposited coating：Bright field TEM image（a）and corresponding nano-beam electron diffraction pattern（b）［17］

2.3 磁性能

未摻雜的半導(dǎo)體TiO2納米結(jié)構(gòu)中由于未補(bǔ)償?shù)淖孕虮砻嫔系难蹩瘴皇蛊渚哂锌捎^測的RTFM。 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行金屬摻雜，增加晶格中的表面缺陷，從而更好地發(fā)揮TiO2的磁性能。

B.Choudhury 等［18］制 備 了Cu 摻 雜 的TiO2納 米顆粒，并研究了氧空位和Cu 摻雜濃度對TiO2RTFM的影響，如圖3 所示。 在Cu 摻雜TiO2的系統(tǒng)中，所有摻雜濃度都存在鐵磁和反鐵磁相互作用，飽和磁化強(qiáng)度在4%Cu（物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）時(shí)最高。 在450 ℃煅燒4%Cu 摻雜的TiO28 h 后，鐵磁性完全消失。 這可以說明氧空位在引發(fā)RTFM 中的作用。M.You 等［19］合成了不同Cu 濃度摻雜的TiO2納米棒。 通過XPS峰分析證實(shí)了Ti 晶格與Cu 離子的晶格摻雜。 通過磁性研究證實(shí)Cu 摻雜TiO2納米棒在室溫（27 ℃）下保持了明顯的鐵磁有序。 用基于Cu 摻雜增加的氧空位濃度可以解釋鐵磁性的起源。

圖3 2%Cu 摻雜的TiO2 納米顆粒的低（a）和高（b）分辨率TEM 圖［18］Fig.3 Low（a）and high（b）resolution transmission electron microscope（TEM）images of 2%Cu doped TiO2 nanoparticles［18］

2.4 傳感性能

為了提高二氧化鈦半導(dǎo)體金屬氧化物（SMO）傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性， 在工藝中常常將貴金屬摻入SMO 材料中。 金屬摻雜會對TiO2晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，金屬摻雜改善了TiO2的敏感度，降低了工作溫度，使得TiO2在傳感領(lǐng)域有更好的應(yīng)用。

M.Duta 等［20］采用溶膠-凝膠和浸漬法在顯微鏡玻璃基片上獲得具有銳鈦礦結(jié)構(gòu)的Nb 摻雜TiO2多層膜，見圖4。摻雜少量Nb（0.8%）的TiO2薄膜對CO 具有更高的敏感性。 結(jié)果表明，薄膜厚度對傳感器靈敏度的影響較小。 由于其制備工藝簡單、價(jià)格低且在氣體靈敏度、工作溫度和傳感器恢復(fù)方面具有良好性能，Nb 摻雜TiO2薄膜可用于環(huán)境CO 傳感器的開發(fā)。

M.Hussain 等［21］采用共沉淀法-水熱法成功合成了納米銳鈦礦結(jié)構(gòu)，將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于傳感器中，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，在H2O2檢測中表現(xiàn)出優(yōu)異的靈敏度、低檢測限和可重復(fù)性。 結(jié)果表明，納米銳鈦礦復(fù)合材料在氣體傳感器的發(fā)展中具備很好的前景。

圖4 2TiO2：Nb（a），5TiO2：Nb（b），10TiO2：Nb（c）薄膜的SEM 截面圖；2TiO2：Nb（d），10TiO2：Nb（e）薄膜的表面圖像［20］Fig.4 SEM cross section images of the 2TiO2：Nb（a），5TiO2：Nb（b），10TiO2：Nb（c）films；surface images of the 2TiO2：Nb（d），10TiO2：Nb（e）thin films［20］

3 三氧化二鐵（Fe2O3）

Fe2O3是一種n 型半導(dǎo)體， 具有α-Fe2O3（赤鐵礦）和γ-Fe2O3（磁赤鐵礦）兩種晶型，穩(wěn)定性高，帶隙窄（2.2 eV），近年來受到越來越多的關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于光催化劑、半導(dǎo)體電極、傳感器等領(lǐng)域。

3.1 光性能

基于Fe2O3的光催化劑具有生物相容性、 低成本和無毒性等優(yōu)點(diǎn)， 且能夠提高光催化反應(yīng)中對光的利用率， 已被認(rèn)為是污染物光化學(xué)分解的適宜物質(zhì)，常用于廢水處理研究。

A.Lassoued 等［22］和H.Mansour 等［23］采用共沉淀法分別合成了不同鎳（Ni）和錫（Sn）濃度摻雜的α-Fe2O3納米顆粒，并研究了它們的特性和光催化活性。

R.Suresh 等［24］采用共沉淀法和熱分解法成功制備了Co 摻雜的Fe2O3納米粒子。 通過研究pararosaniline（PR）染料的光催化活性發(fā)現(xiàn)PR 的光催化降解取決于摻雜劑濃度。5%Co 摻雜的Fe2O3納米顆粒的光催化活性最高，同時(shí)Co 的摻雜使Fe2O3表面形成PR 合理的光催化降解途徑。

3.2 電性能

α-Fe2O3是一種分布廣泛、價(jià)格便宜、無毒且具有電化學(xué)穩(wěn)定性的半導(dǎo)體， 其作為一種半導(dǎo)體電極被廣泛研究。 由于其電子-空穴復(fù)合速率快和電荷傳輸較慢阻礙了它在電學(xué)方面的應(yīng)用。 金屬的摻雜可使樣品電導(dǎo)率和介電常數(shù)顯著增加， 進(jìn)而提高其導(dǎo)電性。

V.M.Aroutiounian 等［25］合成2%錫（Sn）摻雜的n型Fe2O3的陶瓷半導(dǎo)體電極。 對電極的電學(xué)特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在Sn 摻雜Fe2O3的電極中有兩個(gè)電離能為0.08～0.1 eV 和0.18～0.2 eV 的施主能級。 結(jié)果顯示，0.75%～1% Sn 摻雜的電極具有較高的施主密度、合理的能級和最高的入射光子-電流轉(zhuǎn)換效率。

A.Bak 等［26］采用電沉積方法將赤鐵礦膜沉積到氧化錫的導(dǎo)電玻璃上。 0.4%～1.45%Cd 的摻入可以提高赤鐵礦的電化學(xué)性能， 這種增強(qiáng)可能是由平帶電位漂移、 帶隙能量變化和電導(dǎo)率增加的混合效應(yīng)引起的。 研究表明：摻入的Cd 可能以CdO 或Cd（OH）2的形式存在，這增加了赤鐵礦的電導(dǎo)率，并起到電催化作用。

3.3 磁性能

近年來，鐵的氧化物粒子由于其超順磁性、過飽和度和磁感應(yīng)等獨(dú)特性能，引起了研究人員的興趣。鐵的氧化物粒子以其固有的磁性應(yīng)用于磁記錄、磁共振成像和癌癥治療等領(lǐng)域。然而，粒子團(tuán)聚降低了粒子的效率。 金屬的摻雜可以很好地改善單一鐵氧化物粒子所存在的問題。

A.Akbar 等分別用溶膠-凝膠法制備鉻（Cr）［27］和鈷（Co）［28］摻雜的Fe2O3薄膜。XRD 結(jié)果表明Cr 很好地?fù)饺氤噼F礦晶格中。 與鐵陽離子相比，Cr 具有更小的離子半徑，摻入Cr 導(dǎo)致晶格參數(shù)和晶胞體積增加，使得峰位置向較高衍射角移動(dòng)，而未摻雜的薄膜表現(xiàn)出弱的鐵磁行為。 引入外來原子會在主晶格中產(chǎn)生磁擾動(dòng)， 使得弱鐵磁轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)鐵磁行為。 而Co 成功地取代了主晶格中的Fe，由于Co 的離子半徑比Fe 更小，峰位置轉(zhuǎn)移到更高的角度。Co 摻雜的Fe2O3薄膜由于存在由Co 摻雜產(chǎn)生的未補(bǔ)償自旋而表現(xiàn)出鐵磁行為。

3.4 傳感性能

Fe2O3具有復(fù)雜的缺陷結(jié)構(gòu)， 通常需用貴金屬，如Au、Ag、Pt 和Pd 等對其進(jìn)行改性，以提高氣敏性能。 敏化劑的存在有助于通過提供額外的吸附位點(diǎn)和降低特定反應(yīng)的活化能壘來改善傳感器響應(yīng)，提高其傳感性能。

G.Picasso 等［29］研究了Au 摻雜Fe2O3薄膜的H2S傳感特性和鈀（Pd）摻雜α-Fe2O3納米顆粒（Pd/Fe2O3）的液化石油氣（LPG）傳感特性。 結(jié)果表明，純的和Au 摻雜的Fe2O3樣品都表現(xiàn)出n 型導(dǎo)電模式。在Au的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.33%的情況下，Au 摻雜的傳感器膜對1×10-5的H2S 響應(yīng)增強(qiáng)了538%，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為1.65 min 和27 min。增強(qiáng)的響應(yīng)主要?dú)w因于摻雜金屬與主體Fe2O3基質(zhì)形成納米肖特基勢壘以及作為溢出效應(yīng)的促進(jìn)劑。證明了Au 摻雜的Fe2O3薄膜在氣體傳感器方面的潛在應(yīng)用。 而Pd/Fe2O3對于LPG 的響應(yīng)值隨著Pd 含量的增加而增加， 當(dāng)摻雜量為0.75%Pd 時(shí)達(dá)到最大值。 這可能是由于Pd/Fe2O3的BET 表面積最大， 增加了活性相與LPG 氣體的最佳接觸面積。 此研究證明Pd 摻雜的α-Fe2O3納米顆粒是一種有前景的傳感材料。

4 稀土氧化物

稀土元素由于其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)，其內(nèi)層4f 軌道未成對電子使其具有多種多樣的電子能級； 稀土元素的電子能級和譜線要比一般的元素多， 具有良好的光催化活性、電、磁和傳感等性能，在石油化工、電學(xué)器件、 磁器件和傳感器等領(lǐng)域已經(jīng)得到了較好的應(yīng)用。

4.1 光性能

稀土元素幾乎可以與所有元素發(fā)生反應(yīng)， 形成多價(jià)態(tài)多配位數(shù)的化合物等。 以二氧化鈰（CeO2）為代表的稀土氧化物以其良好的儲放氧功能和特殊的4f 軌道結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出良好的催化活性。

M.P.Kumar 等［30］采用共沉淀法合成稀土摻雜的CeO2光催化劑，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，結(jié)果證明了光催化劑在水相中易于降解橙G 染料分子。 在可見光下，15 mg 的光催化劑顯示出優(yōu)異的活性和94%的降解率，而10 mg 的光催化劑在中性pH 下對于1×10-5的橙G 染料顯示出更好的活性。 合成的光催化劑是降解污染物和染料分子的環(huán)境良性催化劑。 K.Singh 等［31］合 成 了 不 同 鑭（La）濃 度 摻 雜 的CeO2納米晶體，并對其結(jié)構(gòu)和光催化性能進(jìn)行了表征。 10%La 摻雜的CeO2顯示出優(yōu)異的催化還原和可見光催化亞甲基藍(lán)的能力。研究結(jié)果表明，低濃度（≤20%） 摻雜的稀土金屬足以維持CeO2晶格的催化性能與整體變形（應(yīng)變、空位等）之間的平衡。

4.2 電性能

近年來，由于稀土氧化物具有高介電常數(shù)、較大帶隙、較高擊穿電場、較高電阻率、較高傳導(dǎo)偏移和較低界面陷阱密度等特性，已廣泛用于電子設(shè)備，如頻率開關(guān)、可重編程存儲器電路和電容器［32］。金屬的引入可提高稀土氧化物中的氧空位濃度和相關(guān)的氧化物離子電導(dǎo)率， 進(jìn)而提高其電學(xué)性能以更好地應(yīng)用于電學(xué)器件［33］。

D.D.M.Prabaharan 等［34］采用共沉淀法制備了Mn摻雜的CeO2納米粒子。 由于界面/空間電荷極化效應(yīng)，摻雜Mn 的CeO2樣品的介電損耗隨著頻率的增加而降低。 當(dāng)Mn 摻雜濃度增加時(shí)， 介電常數(shù)值變低，電導(dǎo)率隨著溫度和頻率的增加而增加，交流電導(dǎo)率隨著摻雜濃度的增加而降低， 這可能是由于摻雜物在CeO2中引入了錫間隙和氧空位。

M.K.Chinnu 等［35］采用水熱法合成了釤（Sm）摻雜二氧化鈰（Sm/CeO2）納米棒，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)和電學(xué)表征研究。 結(jié)果表明，Sm/CeO2納米復(fù)合材料可用于燃料電池電極替代物。

4.3 磁性能

稀土金屬氧化物（REMO）納米顆粒在與磁性相關(guān)的新興技術(shù)中發(fā)揮重要作用。 REMO 納米顆粒的物理特性取決于摻雜物和缺陷的粒徑、類型和水平。通過在REMO 中摻雜金屬雜質(zhì)， 可以引入結(jié)構(gòu)缺陷，改善REMO 的磁性能，使得REMO 在磁器件領(lǐng)域中得到更廣泛的應(yīng)用。

F.Abbas 等［36-37］分別通過化學(xué)共沉淀技術(shù)制備Co 摻雜的CeO2納米粒子（Co/CeO2）和通過軟化學(xué)路線制備Mn 摻雜的CeO2納米顆粒（Mn/CeO2），并對它們的結(jié)構(gòu)和磁性能進(jìn)行研究。微觀結(jié)構(gòu)表明，制備的Co/CeO2樣品可形成高度均勻的納米顆粒，其平均粒度范圍為8～20 nm，且隨著Co 摻雜水平的變化，其比表面積顯著提高。

4.4 傳感性能

稀土氧化物的高表面堿性、 快速氧離子遷移率和優(yōu)異的催化性能是化學(xué)傳感的重要特征。近些年，以氧化銦（In2O3）為代表的稀土氧化物已經(jīng)被廣泛研究。In2O3是一種環(huán)境友好且高度穩(wěn)定的p 型半導(dǎo)體稀土金屬氧化物， 已被用于氣體傳感器中檢測各種氣體，如NH3、NO2、H2S、乙醇和甲醛等。 通過摻雜金屬元素，增加自由載流子濃度可以調(diào)整In2O3的氣體響應(yīng)特性，拓寬In2O3在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用［38］。

D.Han 等［39］采用模板法制備了三維有序大孔結(jié)構(gòu)（3DOM）的稀土金屬（Tm、Er、La、Yb 和Ce）摻雜In2O3納米結(jié)構(gòu)，并研究其對乙醇的敏感性。 稀土摻雜改善了氧氣吸收， 并因此擴(kuò)大了表面上的電子消耗， 最終提高了氣體傳感性能。 因此， 稀土摻雜的3DOM In2O3材料在檢測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 總結(jié)

摻雜型金屬氧化物由于其優(yōu)異性能而具有良好的發(fā)展前景， 但是摻雜型金屬氧化物的研究仍處于初期的發(fā)展階段且尚未完全展開， 筆者認(rèn)為今后的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：

1）對金屬氧化物進(jìn)行摻雜的研究雖然較多，但對其摻雜機(jī)理的研究較少， 使摻雜過程存在一定的盲目性。因此，科研人員需進(jìn)一步加強(qiáng)對摻雜理論的探索。2）從摻雜型金屬氧化物的制備方法來看，文獻(xiàn)中均采用相對單一的合成路徑。 然而不同的合成方法對于同一種摻雜型金屬氧化物來說， 所表現(xiàn)出來的性能往往是不同的。因此，在今后的研究中需嘗試使用不同的合成方法制備同一種摻雜型金屬氧化物，以期獲得最合理的制備方法和工藝條件。3）目前金屬氧化物中摻雜的金屬種類也相對有限， 主要集中在一些過渡族金屬。 但是隨著對金屬氧化物性能要求的不斷提高， 摻雜金屬種類的開拓也是今后研究需要關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。