两种金属氧化物半导体纳米陶瓷的室温气敏性能及机理研究

摘要

气体泄露可能会引发一系列安全事故，为了保障人们生命财产安全，开发实用性强、气敏性能优良的气体传感器是人们亟待解决的课题。在各类型气体传感器中，金属氧化物半导体（MOSs型）气体传感器实用性最强，因为其诸多优点:寿命长、成本低、器件小巧、加工简单等。然而，目前商业化金属氧化物半导体气体传感器必须在高温(300-400℃)条件下工作。高温工作条件的缺点增加了器件的功耗，缩短了器件的使用寿命，存在着安全隐患。因此，人们迫切希望研究出在低温，甚至是室温条件下工作的气体传感器。金属氧化物半导体的气敏响应是一种表面效应，因此，越来越多的研究课题关注研发各式各样的纳米结构气敏材料。然而，这类低维材料结构的气体传感器存在制备工艺复杂、机械强度低、易潮解等问题，使得纳米气敏元件难以实现商业化应用。 实际上，在金属氧化物半导体气敏器件中，块体陶瓷材料很少受到关注。本小组对复合纳米陶瓷块体材料做了开创性研究，制备工艺为传统压片烧结的方式。本文主要研究了Fe2O3基、SnO2基这两种复合纳米陶瓷，均表现了良好的室温气敏性能。通过微观表征分析，发现多孔纳米陶瓷有着低维纳米材料高比表面积的优点。同时，多孔纳米陶瓷还兼具块体材料高稳定性的优点。通过对Fe2O3基、SnO2基复合纳米陶瓷在不同气体氛围中的实时响应进行充分研究，还深入分析了两者的气敏响应。具体内容如下: Pt-Fe2O3复合纳米陶瓷的SEM结果显示，该陶瓷中存在大量纳米尺寸的孔洞，氧化铁的晶粒粒径仅为30nm。在室温条件下，该氢气传感器对氢气有着显著的气敏响应。研究了不同氢浓度下传感器的气敏性能，从5％到0.1％。结果显示，该传感器在室温下具有良好的氢敏响应灵敏度和重复性。对氮气中5％氢气，有高达90的灵敏度，响应时间和恢复时间较短，分别约为20s和30s。为了揭示其室温氢敏机理，将氮气中氢气的浓度由5％降低至0，发现该陶瓷的电阻不随氮气中氢气浓度的下降而发生变化。该结果表明，Pt-Fe2O3复合纳米陶瓷的室温氢敏响应是由于氢分子与表面化学吸附氧在室温下发生电子迁移而引起的。与之前报道的TiO2基陶瓷材料的室温氢敏现象相比，Fe2O3基陶瓷材料的室温氢敏性能与机理均存在显著的差别。因此，有必要对更多种类的金属氧化物半导体基陶瓷材料的室温氢敏现象进行系统的研究。 Pd-SnO2复合纳米陶瓷的SEM、TEM分析表明，该陶瓷中也存在大量纳米尺寸的孔洞。以该陶瓷材料制备的一氧化碳传感器，在室温下对CO有着显著的气敏响应，且该响应情况与钯浓度有关。钯浓度为1.0mol％、5.0mol％的样品在遇到CO时电阻增加;而钯浓度为0.2mol％的样品遇到CO电阻减小，表现出良好的室温气敏响应。钯浓度为0.2mol％的样品的气敏响应情况如下:对100ppm的CO，仍然有约15倍的较高灵敏度，响应时间和恢复时间很迅速，分别是20s、60s;与对H2的响应对比，呈现出良好的CO选择性。XPS分析表明，钯浓度为1.0mol％、5.0mol％的样品中钯以Pd2+形式存在，而钯浓度为0.2mol％的样品中有Pd2+和Pd4+。结合气敏响应结果，这说明Pd-SnO2复合纳米陶瓷遇到CO时，Pd2+使电阻增大，Pd4+使电阻减小。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1课题研究的意义

1．2气体传感器概述

1．2．1气体传感器的分类

1．2．2半导体气体传感器的特性参数

1．3金属氧化物半导体气体传感器概述

1．3．1金属氧化物半导体气体传感器的气敏机理

1．3．2金属氧化物半导体气体传感器的商业现状

1．3．3金属氧化物半导体气体传感器的研究现状

1．4本文主要研究内容与创新点

第二章实验过程

2．1实验流程

2．2样品制备流程

2．2．1材料制备

2．2．2烧结

2．2．3制备电极

2．3表征手段

2．3．1 X射线衍射(XRD)

2．3．2扫描电子显微镜(SEM)

2．3．3透射电子显微镜(TEM)

2．3．4 X射线光电子能谱分析(XPS)

2．4测试系统

第三章Pt-Fe2O3复合纳米陶瓷的制备与室温氢敏性能研究

3．1引言

3．3 Pt-Fe2O3复合纳米陶瓷的表征分析

3．4 Pt-Fe2O3复合纳米陶瓷的氢敏性能分析

3．5 PL-Fe2O3复合纳米陶瓷的氢敏机理研究

3．6本章小结

第四章Pd-SnO2复合纳米陶瓷的制备与室温一氧化碳气敏性能研究

4．1引言

4．2 Pd-SnO2复合纳米陶瓷的制备

4．3 Pd-SnO2复合纳米陶瓷的CO气敏表征分析

4．4 Pd-SnO2复合纳米陶瓷的CO气敏性能分析

4．5 Pd-SnO2复合纳米陶瓷的CO气敏机理研究

4．6本章小结

5．1结论

5．2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文