ZnSnO3氣敏材料的制備及氣敏性能研究.pdf

1、傳統(tǒng)的陶瓷半導(dǎo)體氣敏材料主要有SnO2、Fe2O3、WO3、ZnO、In2O3等過渡金屬氧化物,但這些材料大多是廣普型的氣敏材料,對氣體的選擇性并不好。雖然通過貴金屬摻雜和制膜工藝的改進(jìn)氣敏選擇性有所改進(jìn),但是又增加了成本。從20世紀(jì)80年代起,人們發(fā)現(xiàn)ZnSnO3和LaFeO3等鈣鈦礦復(fù)合金屬氧化物材料用傳統(tǒng)工藝制備的氣敏元件就能表現(xiàn)出良好的敏感特性。隨后就開始了大量的研究,成為近年來研究的熱點(diǎn)。本文以ZnSnO3為研究對象,分別對這

2、種材料的納米化制備、氣敏性能、摻雜改性等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究;對其氣敏機(jī)理也進(jìn)行了初步的探索研究。本課題采用共沉淀法制備了ZnSnO3的前驅(qū)體,再通過高溫焙燒合成得到了鈣鈦礦型復(fù)合氧化物。XRD圖譜分析表明:用超聲波振蕩分散和低溫陳化新工藝制得ZnSnO3為單相結(jié)構(gòu),產(chǎn)物中沒有雜相出現(xiàn);而制得的粉末純度也比傳統(tǒng)工藝制得粉末的純度高。EDS分析表明粉末中都沒有別的雜質(zhì)元素。TEM分析表明新工藝合成的ZnSnO3材料粒度均勻,粒徑小于40nm。

3、將不同工藝制得的ZnSnO3粉末以及摻雜后的粉末制備成燒結(jié)型氣敏元件在HW-30A氣敏檢測儀進(jìn)行氣敏測試。研究結(jié)果表明:超聲振蕩分散后,-15℃陳化10小時(shí),在600℃空氣中燒結(jié)5小時(shí)制得的燒結(jié)型ZnSnO3氣敏感傳感器對乙醇的靈敏度達(dá)15.239,摻入一定量的金屬氧化物能不同程度提高傳感器對乙醇的靈敏度和選擇性。在所有的氧化物摻雜劑中,La2O3能顯著提高其靈敏度,最佳摻雜量為5％wt。此外,摻La2O3的ZnSnO3傳感器的回復(fù)-響

4、應(yīng)時(shí)間為10s左右;在有其它氣體存在時(shí),這種摻雜ZnSnO3傳感器仍然對乙醇有較高的選擇性;穩(wěn)定性也較好。SEM對敏感層表面分析表明:氣敏特性和表面的氣孔率、顯微裂紋分布和晶粒大小有很大關(guān)系。目前對ZnSnO3的研究主要集中在酒精等有機(jī)氣體方面,對氫氣的氣體敏感性能研究還不多見。ZnSnO3摻雜PdCl2后發(fā)現(xiàn)其對H2有較高靈敏度,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最佳摻雜量為5wt%.在1500ppm的氣氛下,對H2有較高的靈敏度,是純的ZnSnO3對H2的2

5、6倍,為63.485。在存在其他氣體的干擾下,摻雜5wt%PdCl2制備的ZnSnO3氣體敏感材料仍然對氫氣具有較高的選擇性,對雜質(zhì)氣體的抗干擾能力強(qiáng),回復(fù)-響應(yīng)時(shí)間足夠?qū)嶋H應(yīng)用。用點(diǎn)缺陷理論和質(zhì)量作用定律解釋了ZnSnO3的電阻和氣體分壓成指數(shù)關(guān)系。其中指數(shù)和不同氣體在敏感層表面的吸附-脫附反應(yīng)有很大關(guān)系。當(dāng)兩種以上氣體存在時(shí),根據(jù)氣體表面覆蓋度的不同,就產(chǎn)生了優(yōu)先吸附的現(xiàn)象,這是選擇性的原因。摻雜劑的作用機(jī)理或是對被檢測氣體有較大的