MFeO3基半导体材料制备及气敏性能研究

论文摘要

随着社会生产力的发展及广大人们生活水平的提高,气敏传感器得到了越来越广泛的应用,半导体电阻式气敏传感器是目前应用最广泛的传感器之一,成为研究的热点。本研究分别采用无机盐溶胶-凝胶法制备了MFeO3（M=Sm、La）薄膜,采用传统工艺制备旁热式烧结型元件。对制备过程和丙酮气敏性能进行了讨论,揭示了组成-工艺-结构-丙酮气敏性能的内在联系,并对两类结构的气敏性能做了比较。以Sm（NO3）3·6H2O（La（NO3）3·6H2O）、Fe（NO3）3·9H2O等无机盐为原料,以柠檬酸为络合剂,配制成浓度为0.3mol/L的前驱体溶胶,在Al2O3基片上经过浸渍-提拉、干燥、预处理和烧结等过程制备了高质量纳米晶钙钛矿相MFeO3薄膜。用FT-IR吸收光谱分析了前驱体的结构,以TG-DSC分析讨论了前驱体在烧结过程中的变化,用XRD分析了晶相,并用SEM表征了薄膜的表面形貌。分析了掺杂MFeO3薄膜的阻温特性,呈现半导体氧化物的特征,根据曲线计算出材料的导电激活能,与理论相符合。MFeO3薄膜对低浓度丙酮气体有良好的敏感性能:SmFeO3薄膜在测试温度为450℃时,对30ppm丙酮气体灵敏度达到20,响应时间和恢复时间分别为15s和16s;LaFeO3薄膜的丙酮灵敏度比SmFeO3薄膜偏高,灵敏度达到22.5,响应时间和恢复时间分别为30s和20s。从缺陷和载流子的性质入手讨论了MFeO3薄膜的导电机制和气敏机理。深入研究了测试温度、气体浓度、掺杂和膜厚对材料性能的影响。针对烧结型传感器,系统研究了工作电压、玻璃料添加剂,贵金属Pt以及掺杂对元件电阻和气敏性能的影响,获得了气敏元件最佳性能条件为:测试电压为4.5V,掺入1mol%Pt的SmFeO3元件对10ppm丙酮气体灵敏度达到3.2。比较MFeO3薄膜和烧结型元件气敏性能发现,薄膜材料由于高的表面活性和比表面积,对丙酮的灵敏度更大。考察了两类材料的选择性、稳定性,并对MFeO3材料的气敏机理进行了探讨。指出未来气敏器件的发展方向为薄膜型元件。材料方面选择在低温下具有变化范围小的低电阻的材料,通过微量掺杂等手段提高气敏元件的选择性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 气敏传感器的发展
• 1.2.1 气敏传感器的分类
• 1.2.2 气敏元件的制备方法和特性
• 1.2.3 气体传感器的工作机理
• 3钙钛矿型半导体气敏材料的研究现状'>1.3 MFeO₃钙钛矿型半导体气敏材料的研究现状
• 3钙钛矿型材料的结构'>1.3.1 ABO₃钙钛矿型材料的结构
• 3钙钛矿型氧化物的制备方法'>1.3.2 ABO₃钙钛矿型氧化物的制备方法
• 3钙钛矿型半导体材料的气敏性质'>1.3.3 MFeO₃钙钛矿型半导体材料的气敏性质
• 3钙钛矿型半导体材料的气敏机理'>1.3.4 MFeO₃钙钛矿型半导体材料的气敏机理
• 1.4 课题的提出
• 1.4.1 课题的选取及其研究意义
• 1.4.2 课题拟采用的实验设计及主要工作
• 第二章 实验过程
• 2.1 实验原料及设备
• 3半导体薄膜的工艺流程'>2.2 无机盐溶胶-凝胶法制备MFeO₃半导体薄膜的工艺流程
• 3气敏传感器的制备工艺'>2.3 旁热式MFeO₃气敏传感器的制备工艺
• 2.4 材料气敏性能的测试方法
• 2.5 材料表征方法
• 3薄膜的制备和气敏性能分析'>第三章 MFeO₃薄膜的制备和气敏性能分析
• 3.1 无机盐溶胶-凝胶法前驱体的分析
• 3.1.1 无机盐溶胶-凝胶法基本原理
• 3前驱体分析'>3.1.2 MFeO₃前驱体分析
• 3.1.2.1 前驱体溶胶稳定性的分析
• 3.1.2.2 前驱体干凝胶粉末的红外光谱分析
• 3.1.2.3 前驱体干凝胶粉末热分析
• 3薄膜材料体系的表征'>3.2 SmFeO₃薄膜材料体系的表征
• 3薄膜相的分析'>3.2.1 SmFeO₃薄膜相的分析
• 3薄膜体系微观形貌的分析'>3.2.2 SmFeO₃薄膜体系微观形貌的分析
• 3薄膜的气敏性能研究'>3.3 SmFeO₃薄膜的气敏性能研究
• 3薄膜的阻温特性'>3.3.1 SmFeO₃薄膜的阻温特性
• 3薄膜的气体灵敏度和选择性研究'>3.3.2 SmFeO₃薄膜的气体灵敏度和选择性研究
• 3薄膜对丙酮气体响应性能'>3.3.2.1 SmFeO₃薄膜对丙酮气体响应性能
• 3薄膜气敏性能研究'>3.3.2.2 掺杂SmFeO₃薄膜气敏性能研究
• 3薄膜气敏性能的影响'>3.3.2.3 膜厚对SmFeO₃薄膜气敏性能的影响
• 3薄膜对不同气体的灵敏度研究'>3.3.2.4 SmFeO₃薄膜对不同气体的灵敏度研究
• 3薄膜的气敏性能研究'>3.4 LaFeO₃薄膜的气敏性能研究
• 3薄膜的表面分析'>3.4.1 LaFeO₃薄膜的表面分析
• 3薄膜的阻温特性'>3.4.2 LaFeO₃薄膜的阻温特性
• 3薄膜的气体灵敏度和选择性研究'>3.4.3 LaFeO₃薄膜的气体灵敏度和选择性研究
• 3薄膜对丙酮气体响应性能'>3.4.3.1 LaFeO₃薄膜对丙酮气体响应性能
• 3薄膜气敏性能的影响'>3.4.3.2 掺杂对LaFeO₃薄膜气敏性能的影响
• 3薄膜对不同气体的灵敏度研究'>3.4.3.3 LaFeO₃薄膜对不同气体的灵敏度研究
• 3薄膜与LaFeO₃薄膜气敏性能比较'>3.5 SmFeO₃薄膜与LaFeO₃薄膜气敏性能比较
• 3传感器的制备和气敏性能研究'>第四章 旁热式烧结型MFeO₃传感器的制备和气敏性能研究
• 4.1 气敏元件的制作
• 4.2 材料的物相分析
• 4.3 材料的形貌分析
• 3传感器的气敏性能测试'>4.4 旁热式烧结型MFeO₃传感器的气敏性能测试
• 3气敏元件电阻特性的测试'>4.4.1 MFeO₃气敏元件电阻特性的测试
• 4.4.2 气敏元件对超低浓度丙酮气体的响应特性
• 3气敏元件灵敏度的影响'>4.4.3 掺杂对MFeO₃气敏元件灵敏度的影响
• 4.4.4 玻璃料对气敏元件灵敏度的影响
• 4.4.5 贵金属Pt修饰对气敏元件灵敏度的影响
• 4.4.6 不同工作电压对气敏元件灵敏度的影响
• 4.4.7 气敏元件的稳定性检测
• 4.5 气敏元件的选择性研究
• 4.6 旁热式元件与薄膜型材料性能对比
• 3气敏材料的气敏机理研究'>第五章 MFeO₃气敏材料的气敏机理研究
• 3材料的结构分析'>5.1 MFeO₃材料的结构分析
• 5.2 气敏机理的讨论
• 5.2.1 材料对还原性气体敏感机理分析
• 5.2.2 材料对氧化性气体敏感机理分析
• 5.2.3 材料对水蒸气敏感机理分析
• 5.3 工作温度以及掺杂对气敏性的影响
• 第六章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢