znsno3气敏材料制备及气敏性能的研究

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1、摘要传统的陶瓷半导体气敏材料主要有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，对气体的选择性并不好。虽然通过贵金属掺杂和制膜工艺的改进气敏选择性有所改进，但是又增加了成本。从20世纪80年代起，人们发现ZnSnO3和LaFeO3等钙钛矿复合金属氧化物材料用传统工艺制备的气敏元件就能表现出良好的敏感特性。随后就开始了大量的研究，成为近年来研究的热点。本文以ZnSnO3为研究对象，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

2、气敏机理也进行了初步的探索研究。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ZnSnO3为单相结构，产物中没有杂相出现；而制得的粉末纯度也比传统工艺制得粉末的纯度高。EDS分析表明粉末中都没有别的杂质元素。TEM分析表明新工艺合成的ZnSnO3材料粒度均匀，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在HW-30A气敏检测仪进行气敏测试。研究结果表明：超声振荡

3、分散后，-15℃陈化10小时，在600℃空气中烧结5小时制得的烧结型ZnSnO3气敏感传感器对乙醇的灵敏度达15.239，掺入一定量的金属氧化物能不同程度提高传感器对乙醇的灵敏度和选择性。在所有的氧化物掺杂剂中，La2O3能显著提高其灵敏度，最佳掺杂量为5%wt。此外，掺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，这种掺杂ZnSnO3传感器仍然对乙醇有较高的选择性；稳定性也较好。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。目

4、前对ZnSnO3的研究主要集中在酒精等有机气体方面，对氢气的气体敏感性能研究还不多见。ZnSnO3掺杂PdCl2后发现其对H2有较高灵敏度，实验发现最佳掺杂量为5wt%.在1500ppm的气氛下，对H2有较高的灵敏度，是纯的ZnSnO3对H2的26倍，为63.485。在存在其他气体的干扰下，掺杂5wt%PdCl2制备的ZnSnO3气体敏感材料仍然对氢气具有较高的选择性，对杂质气体的抗干扰能力强，回复-响应时间足够实际应用。用点缺陷理论和质量作用定律解释了ZnSnO3的电阻和气体分压成指数关系。其中指数

5、和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I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，促进反应的发生，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。关键词：偏锡酸锌；掺杂；气敏材料；制备工艺；气敏机理；IIAbstractTraditionalsemiconductorceramics

6、gassensitivematerialsaremainlysometransitionmetaloxidesincludingSnO2、Fe2O3、WO3、ZnO、In2O3etc.However,thesematerialshavestillsomeinsufficienciesinrespectsofselectivity,durability,andresistancetoenvironmentalinfluencessuchashighertemperature,humidityetc.Al

7、thoughmuchworkhasbeendoneontheselectionofadditivesandcatalystsandontheimprovementofproductiontechnologyetc.,thingsstillfallshortofthedemandforquantitativedetection.Consequently,inadditiontothecontinuedeffortstoimprovetheexistingmaterials,thereisaconstan

8、texplorationofnewmaterialaimedatobtaininggassensorsofbetterperformanceandstilllowerprices.Thisdissertationaimsatanoriginalzinctincomplexoxide(ZnSnO3)basedgassensitivematerial.Thenano-sizedpowderpreparation,gassensitiveproperties,