论文部分内容阅读
传统的陶瓷半导体酒敏材料主要有SnO2、Fe2O3、WO3、ZnO、In2O3等过渡金属氧化物,但这些材料大多是广普型的气敏材料,对乙醇的选择性并不好。虽然通过贵金属掺杂和制膜工艺的改进酒敏选择性有所改进,但是又增加了成本。20世纪80年代,人们发现用传统工艺制备的ZnSnO3和LaFeO3等钙钛矿型复合金属氧化物酒敏元件就能表现出良好的酒敏特性,随后展开了大量的研究。本文以ZnSnO3为主要研究对象,分别对这种材料的纳米化制备、气敏性能、掺杂改性等方面进行实验研究,对其气敏机理也进行了初步的探究。本课题采用共沉淀法制备了ZnSnO3的前驱体,再通过高温焙烧合成得到了钙钛矿型复合氧化物。XRD图谱分析表明:用超声波振荡分散和低温陈化新工艺制得的粉末为单相ZnSnO3,无杂相出现;EDS分析表明两种粉末中都没有别的杂质元素。TEM分析表明新工艺合成的ZnSnO3粉末粒度均匀,粒径小于40nm。将不同工艺制得的ZnSnO3粉末以及掺杂后的粉末制备成烧结型气敏元件后,进行了气敏测试。研究结果表明:经超声振荡分散、-15℃陈化10小时、600℃空气中烧结5小时制备的ZnSnO3材料所制得的烧结型气敏元件在310℃时,对1000ppm的乙醇的灵敏度高达25.8,且对汽油的抗干扰能力强;在所有的金属氧化物掺杂剂中,La2O3能显著提高其灵敏度,最佳掺杂量为5%mol;此外,掺杂La2O3的ZnSnO3传感器的回复-响应时间为10s左右;在有其它气体存在时,La2O3掺杂ZnSnO3传感器仍然对乙醇有较好的选择性和稳定性。SEM对敏感层表面分析表明:气敏特性和表面的气孔率、显微裂纹分布和晶粒大小有很大关系。用点缺陷理论和质量作用定律解释了ZnSnO3的电阻和气体分压的指数关系,并进一步指出指数与不同气体在敏感层表面的吸附-脱附反应有很大关系。当两种以上气体存在时,根据气体表面覆盖度的不同,就产生了优先吸附的现象,这是选择性的原因。掺杂剂的作用机理或是对被检测气体有较大的亲和作用,使气体更容易吸附,加速吸脱附和氧化过程;或是能改变表面的酸碱性,促进乙醇的分解,而提高其选择性和灵敏度;或是抑制晶粒生长,从而充分利用晶粒尺寸效应,提高传感器的灵敏度和稳定性。