【摘 要】
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气体传感器作为传感系统中的一个重要分支,在智能医疗、环境检测与保护、军事工业、航空航天技术等诸多领域扮演着重要角色。因此,大力开发和应用高性能的气体传感器具有极其重要的意义。金属氧化物半导体基气体传感器由于其特有的稳定性高、响应/恢复时间短、灵敏度高、成本低等优点受到了研究者们的广泛关注。在论文研究以n型的Sn O2和Zn O为主要研究对象,结合稀土元素引入特有的优势,采用不同工艺研制出了稀土元素
【基金项目】
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国家自然科学基金（No.61974057、50272026）； 甘肃省自然科学基金（No.17JR5RA180、1606RJZA026）； 兰州市城关区科技计划项目（No.2019RCCX0007）； 甘肃省科学院传感技术研究所；
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气体传感器作为传感系统中的一个重要分支,在智能医疗、环境检测与保护、军事工业、航空航天技术等诸多领域扮演着重要角色。因此,大力开发和应用高性能的气体传感器具有极其重要的意义。金属氧化物半导体基气体传感器由于其特有的稳定性高、响应/恢复时间短、灵敏度高、成本低等优点受到了研究者们的广泛关注。在论文研究以n型的Sn O2和Zn O为主要研究对象,结合稀土元素引入特有的优势,采用不同工艺研制出了稀土元素Ce、Eu、Yb、Nd与Sn O2、Zn O、Cu O结合的复合材料气体传感器;系统研究了器件的气敏性能和敏感机制,并进一步讨论了气体传感器未来的研究方向,具体内容如下:采用溶剂热/水热法制备了稀土元素Ce、Eu、Yb、Nd分别与Sn O2、Zn O、Cu O结合的复合材料,并研制了复合材料基气体传感器,测试并分析了稀土元素对金属氧化物基气体传感器性能的影响。通过X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析了样品的微观形貌和晶体成分,系统地测试了其制备的气体传感器对多种有机挥发性气体的灵敏度。结果表明:稀土Ce的引入极大调高了Sn O2基乙醇气体传感器的性能,相比于纯Sn O2基器件,Ce的引入实现了传感器在更低的工作温度下对乙醇更高的灵敏度;溶剂热法制备的Zn O基传感器显示出对丙酮良好的选择性,其中1%Yb-Zn O对50 ppm丙酮最佳响应度为80.6,是纯Zn O基气体传感器的2.01倍,同时具有极快的响应/恢复时间（16 s/6 s）和更低的工作温度;稀土Ce,Yb的引入使得Cu O基的气体传感器的灵敏度提升,但Cu O基器件响应/恢复时间过长的问题仍没有明显改善。在先期研究的基础上,采用改进的Pechini法制备了多种浓度Ce引入的Sn O2基气体传感器。通过XRD、SEM、TEM对样品的晶体成分、表面形貌和内部结构进行了研究,系统地测试了对多种有机挥发性气体的气敏性能。结果表明:适当稀土元素Ce的引入使得Sn O2基传感器对乙醇具有更加优异的气敏性能。其中2%Ce-Sn O2摩尔比引入的器件在50 ppm乙醇中的响应度高达69.4,是基于纯Sn O2的器件的2.4倍。此外,相比于纯Sn O2器件,最佳工作温度降低了11℃,基于2%Ce-Sn O2的乙醇气体传感器有更长的测量范围（10 ppm～640 ppm）、更好的乙醇气体选择性和稳定性、更快的响应/恢复时间。此外,这些传感器还表现出高耐湿性。探索了Ce引入对Sn O2基乙醇气体传感器的增敏机理,Ce的引入使复合材料产生了更多的活性位点,同时Ce的氧化物与Sn O2形成的异质结构也大大提高了Sn O2基传感器的性能。采用溶剂热法和低温水浴生长法制备了Yb-Zn O复合结构基气体传感器,并使用XRD、SEM、SEM-mapping和EDX等对复合材料进行了表征。通过对不同有机挥发性气体敏感度的测试,得到了最佳的引入浓度约为摩尔比为1%。溶剂热法制备的1%Yb-Zn O显示出最高的响应度、更快的响应/恢复时间,良好的稳定性和更宽的测量范围。并研究了低温水浴生长法工艺对传感器性能的影响。对Yb-Zn O复合结构基气体传感器性能提高的原因进行分析,Yb-Zn O基气体传感器改善的丙酮响应度归因于Yb对Zn O材料的敏化机制;Yb和Zn离子半径的差异,导致复合样品中的缺陷浓度升高,使得样品的氧空位数量增多,表面吸附氧量的增加;此外,由于Yb的引入增加了复合材料的比表面积,可以为表面的气体吸附提供更多的活性位点。这些效应使得Yb-Zn O复合结构基丙酮气体传感器的性能提升。
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