钙钛矿结构ZnSnO3形貌、粒径控制及气敏性能研究

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气敏材料的性质决定气敏传感器的性能。ZnSnO3是一种具有良好气敏性能的三元化合物半导体材料。但是,纯ZnSnO3气敏传感器的工作温度通常在200℃以上,这极大地限制了它的应用。因此,如何降低ZnSnO3气敏传感器的工作温度并使其具有良好的气敏性能,成为本领域研究的热点。通过ZnSn(OH)6高温脱水制备ZnSnO3,是获得这种敏感材料的途径之一,且其性能会受形貌和粒径等微结构的影响。在ZnSn(OH)6合成过程中,一些有机功能添加剂会影响其形貌和粒径。已有研究表明,以三乙醇胺(弱碱)作为有机添加剂,采用共沉淀法合成的微米级花状ZnSn(OH)6,其高温脱水物ZnSnO3与其具有相同的形貌和粒径,但气敏性能较差,在200℃气体响应值低于5。本文以草酸(弱酸)作为添加剂,采用共沉淀法合成了纳米ZnSn(OH)6立方体,其高温脱水物ZnSnO3仍与其具有相同的形貌和粒径。SEM和XRD分析表明,草酸可以改变ZnSn(OH)6颗粒的形貌、粒径和生长速率;SAED和TEM分析表明所合成的ZnSn(OH)6为多晶,但其高温脱水物ZnSnO3为非晶。机理研究表明,多晶ZnSn(OH)6到非晶ZnSnO3的晶相转变,是高温热处理过程中所形成的大量氧空位导致的,且这些空位决定ZnSnO3的气敏性能。当草酸的添加量为0.059 M合成ZnSn(OH)6前驱体时(记为ZSOH-0.059),其对应的ZnSnO3(记为ZSO-0.059)具有最优良的气敏性能:在220℃与紫外照射的条件下,对500 ppm乙醇气敏响应高达147,响应时间和恢复时间分别为2 s和60 s。对比分析表明,此种条件下所制备的ZSOH-0.059立方体颗粒的平均粒径最大、其高温脱水物ZSO-0.059能带最窄(3.19 e V)。在上述研究的基础上,用nano-TiO2对纳米ZnSnO3立方体(记为ZSO-0.059)进行修饰以降低其工作温度。实验结果表明,当nano-TiO2为13 wt%时,UV照射下所制备的nano-TiO2@ZnSnO3复合物,在500 ppm的乙醇气体中最大气敏响应值为94.3(响应时间和恢复时间分别为3 s和77 s),此时其所对应的工作温度为80℃。显然,通过这种途径,可降低纯ZnSnO3的工作温度,且保持良好的气敏性能。综上,本文通过机功能添加剂草酸控制了ZnSn(OH)6的形貌、粒径和生长速率,当草酸的含量合适时(0.059 M),使所制备的ZnSnO3具有较好的气敏性能,并通过nano-TiO2修饰降低了其工作温度,且能保持良好的气敏性能。
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