有机无机杂化钙钛矿CH3NH3PbI3晶体的制备及气敏性研究

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近几年来,气敏材料是材料方面的研究热点,气敏传感器被广泛应用于生产、生活和环境保护等领域的气体检测与监控。目前市面上气敏传感器选择性差,工作温度高,而AMX3型钙钛矿气敏材料的稳定性强,选择性好,工作温度低,是一类很有前景的气敏材料,甲胺铅碘(CH3NH3PbI3)是目前钙钛矿材料的研究热点。  本文首先用甲胺水与氢碘酸制备碘化甲胺,再将碘化甲胺与碘化铅同时溶于丁内酯,在60℃恒温水浴中搅拌2小时得到甲胺铅碘溶液。将两端镶有电极的氧化铝陶瓷管浸入甲胺铅碘溶液中,取出后放入设定好生长温度的电热恒温干燥箱中,使其在氧化铝陶瓷管上原位生长甲胺铅碘晶体,并研究了不同晶体生长温度以及不同浓度的甲胺铅碘溶液对生长在氧化铝陶瓷管上薄膜形貌影响,实验结果表明:使用碘化甲胺与碘化铅混合溶液生长的晶体为纯净度较高的甲胺铅碘晶体;当生长温度为50℃时,1.2mol/L甲胺铅碘的溶液在氧化铝陶瓷管上原位生长的黑色甲胺铅碘晶体以丁内酯液滴为育晶器,生成的甲胺铅碘多晶体呈圆盘状,圆盘与圆盘连在一起,形成甲胺铅碘多晶薄膜,圆盘直径大约在20~30μm,盘内晶粒尺寸在1~4μm;使用1.5mol/L的溶液生成的甲胺铅碘多晶薄膜具有大量不规则空洞,晶粒尺寸在1~4μm。  将制备好的甲胺铅碘气敏传感器放在气敏元件测试系统中,研究甲胺铅碘对不同气体的选择性,并研究不同浓度溶液与不同晶体生长温度对其气敏性能影响。甲胺铅碘在室温条件下对氨气具有较好的选择性与灵敏度,对甲烷、丙酮气体有很弱的响应,对乙醇气体无响应,加热条件下气敏性能降低;随着晶体生长温度的升高,对在氨气的响应先增大后降低,最佳生长温度为50℃;使用不同溶液浓度制备的甲胺铅碘多晶薄膜具有不同的形貌,1.2mol/L甲胺铅碘溶液制备的气敏传感器灵敏度从50ppm时的1.7增加至1000ppm时的13,响应时间小于45s,恢复时间小于16s,性能优于其他溶液浓度制备的多晶薄膜。  甲胺铅碘对氨气的响应来源于晶体中甲胺阳离子的缺失,氨气进入到甲胺铅碘晶体中甲胺阳离子所在钙钛矿结构的A位,使晶体的载流子浓度增加,体电阻减低,表现出气敏性。
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