氧化鐵半導(dǎo)體氣敏傳感器的制備及其性能研究.pdf

1、基于金屬氧化物半導(dǎo)體材料的氣敏傳感器由于其制造成本低、材料來源豐富等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)基于電解質(zhì)溶液的氣體傳感器。本文以鐵基氧化物作為研究對(duì)象，利用水熱反應(yīng)法，通過控制實(shí)驗(yàn)過程中的反應(yīng)物的摩爾比例、合成溫度和合成時(shí)間，制備了分散性和均勻性良好的α-Fe2O3納米顆粒，并以該α-Fe2O3納米顆粒作為傳感器的敏感介質(zhì)制作半導(dǎo)體氣敏傳感元件，采用靜態(tài)配氣法測試了在不同工作環(huán)境下傳感器對(duì)大氣中常見污染物（H2S和NH3）的氣敏特性，最后結(jié)

2、合能帶理論詳細(xì)論證的傳感器的氣敏響應(yīng)機(jī)制。
　　本文的主要研究內(nèi)容分為以下三部分：
　　1)利用水熱法和熱處理工藝相結(jié)合的方法制備α-Fe2O3納米顆粒。并以此作為傳感器的敏感介質(zhì)，利用旋轉(zhuǎn)鍍膜的方法在陶瓷管上均勻涂覆一層α-Fe2O3薄膜制備完整的傳感器元件，利用WS-30A氣敏測試系統(tǒng)研究該傳感器在不同的工作溫度條件下對(duì)H2S氣體的響應(yīng)情況，確定傳感器的最佳工作溫度為300 oC。研究在最佳工作溫度下傳感器的最低檢測濃度

3、、重復(fù)性、長期穩(wěn)定性以及響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間。研究結(jié)果表明傳感器在300 oC下，檢測閾值為50 ppb，響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間分別低于30 s和5 s，優(yōu)于目前國內(nèi)外報(bào)道的純相α-Fe2O3氣體傳感器對(duì)H2S的檢測性能。
　　2)在第一部分的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)水熱反應(yīng)的反應(yīng)條件，選擇尿素作為還原劑，十六烷基磺酸鈉作為絡(luò)合劑，在90 oC水熱條件輔以500 oC的退火條件合成了具有多孔結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3納米顆粒，利用X射線光電子能譜(XPS)和

4、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析了傳感器敏感介質(zhì)在H2S氣氛中和空氣中元素和化學(xué)鍵的變化情況。利用旋轉(zhuǎn)鍍膜的方法在陶瓷管上均勻涂覆一層α-Fe2O3敏感膜制備傳感器元件，并在室溫下對(duì)傳感器的氣敏性能進(jìn)行分析。氣敏性能研究結(jié)果表明，在室溫下，傳感器對(duì)H2S氣體具有很好的氣敏性，其對(duì)100 ppm的H2S氣體響應(yīng)度達(dá)到38.4，最低檢測濃度達(dá)到50 ppb。此外，在多種干擾氣體同時(shí)存在的復(fù)雜氣體環(huán)境下，該傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的抗干擾能力。<

5、br>　　3)綜合以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的合成條件，通過改變水熱反應(yīng)過程中尿素和乙醇胺的摩爾濃度、配比以及合成溫度和時(shí)間，成功合成出具備良好的均勻性和分散性的α-Fe2O3納米顆粒，XRD表征結(jié)果表明通過水熱反應(yīng)得到的是α-FeOOH和α-Fe2O3兩相組成的混合產(chǎn)物，經(jīng)過高溫?zé)崽幚砗?，?FeOOH全部轉(zhuǎn)化為α-Fe2O3，最后，以α-Fe2O3納米顆粒作為敏感介質(zhì)，研究傳感器在室溫下對(duì)常見有毒有害氣體的響應(yīng)情況，結(jié)果表明，該傳感器在室溫下僅對(duì)