SnO<,2>气敏传感器的制备及性能研究

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本论文采用X射线衍射(XRD)分析、扫描电子显微镜(SEM)分析、原子吸收光谱(AAS)分析、红外光谱(FToIR)分析、原子力显微镜(AFM)分析,以及对工作温度.电阻、掺杂浓度-电阻、灵敏度等的测试,研究了化学共沉淀法和溶胶.凝胶法制备的SnO<,2>材料的相结构、晶粒尺寸和气敏性能;考察了SnO<,2>气体传感器的组分和加工工艺对气敏性能的影响。 采用化学共沉淀法,制备SnO<,2>纳米粒子。XRD和SEM测试结果表明:煅烧温度和煅烧时间对晶体结构和晶粒尺寸有显著影响:最终粉体呈球形,粒径大约为60nm。以Ni<2+>为掺杂离子,以AAS为手段,研究pH对掺杂离子利用率的影响。结果表明,随着pH值的增大,Ni<2+>的利用率逐渐提高,在pH=8时出现极大值,之后有微弱降低。 采用溶胶.凝胶法,以白云母和Al<,2>O<,3>陶瓷为基片,制备纯净及掺杂(Cu<2+>、Ni<2+>、Pd<2+>)的SnO<,2>纳米薄膜。XRD分析表明:掺杂后样品仍为金红石型结构,通过对晶胞参数及晶粒度的计算,可知随着掺杂量的增多,晶胞体积及晶粒度呈减小的趋势。利用AFM可以观测到薄膜表面较为平整,构成薄膜的粒子呈球形,尺度均匀,颗粒间有空隙,这种疏松的表面特征有利于提高纳米粒子表面对气体分子的吸附,进而改善元件的气敏性能。 对SnO<,2>气敏元件基体的掺杂量.电阻、工作温度-电阻、灵敏度等的研究表明,掺杂量越大,SnO<,2>薄膜的电阻越大,随着工作温度的升高,不论是纯净的还是掺杂的SnO<,2>薄膜,其电阻均呈降低的趋势。通过对H<,2>的气敏性能测试表明,掺杂SnO<,2>薄膜对H<,2>有更好的灵敏度。 理论分析表明,气敏传感器的电阻与载流子迁移率密切相关,迁移率随温度的变化决定了工作电阻的变化;纳米级SnO<,2>材料的量子尺寸效应和表面效应使得SnO<,2>气敏传感器性能优化。通过掺入贵金属或过渡金属离子,可以提高材料的灵敏度。
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