金屬氧化物半導(dǎo)體對CO2的氣敏性研究.pdf

1、自人類工業(yè)革命以來，由于大量使用化石燃料以及破壞地球植被，導(dǎo)致大氣中二氧化碳含量急劇增加，這引發(fā)了溫室效應(yīng)，給全球生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重影響。另一方面，二氧化碳可作制冷劑，滅火劑，綠色植物光合作用的原料，也可用來制備碳酸氫銨、小蘇打、純堿、尿素、鉛白顏料、飲料、滅火器等。二氧化碳對人類而言有利有弊，研發(fā)二氧化碳氣敏材料，可以對二氧化碳氣體進行檢測和監(jiān)控，因而具有十分重要的科研意義和應(yīng)用價值。
　　目前CO2氣體傳感器包括表面聲波、紅外

2、線、電容型、固體電解質(zhì)、電阻型和MOS型等種類，這些傳感器大都制作復(fù)雜，裝置龐大，因而增大了普及難度。目前電阻或電導(dǎo)型CO2氣敏材料主要集中在單一或者p-n節(jié)型氧化物復(fù)合材料，例如CuO-BaTiO3復(fù)合材料，此類復(fù)合材料涉及兩種物質(zhì)CuO、BaTiO3，其制備工藝相對較為復(fù)雜。此外，BaTiO3物質(zhì)的成相溫度比較高，CuO-BaTiO3復(fù)合材料CO2氣敏傳感器的最佳工作溫度也高達400℃以上。CO2是一種化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定的氣體，相比于

3、其他氧化性或者還原性氣體來說比較難以探測。另外，單一相和復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬氧化物材料可以用作電阻型CO2傳感器;當(dāng)此材料暴露于CO2氣體中時其電阻會發(fā)生變化。復(fù)合的氧化物薄膜(如:CuO-BaTiO3，La2O3-BaTiO3和ZrO2-BaTiO3)和單一相的半導(dǎo)體(如:Nd2O2CO3，SmCoO3，GdCoO3和La1-xSrxFeO3)都表現(xiàn)出了電阻的增大。到目前為止單一及復(fù)合氧化物對CO2的機理還存在爭議。
　　鈣鈦礦型氧化

4、物ABO3作為氣敏材料具有單一金屬氧化物所不具有的優(yōu)勢，不僅對氣體表現(xiàn)出了良好的選擇性和靈敏性，而且其工作穩(wěn)定性非常高。同時這類氣敏材料對氣體的靈敏性、選擇性以及工作穩(wěn)定性等不僅可以通過改變A、B位的元素種類來調(diào)控，還可以通過對A位或者B位進行部分替代來調(diào)控。鈣鈦礦型氧化物ABO3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強，摻雜也不會改變其原來所具有的結(jié)構(gòu)。目前鈣鈦礦氣敏材料的研究仍需要進行反復(fù)的嘗試實驗，需要選取摻雜物的種類，改變摻雜物的量等，以提高其氣敏性、選擇

5、性和傳感器的穩(wěn)定性。此外，還需要發(fā)展先進的制造技術(shù)以降低其成本，同時確保其可靠性、安全性和重復(fù)性等。本文以釓Gd，鈥Ho，釔Y,元素來取代A位制備的CO2氣敏材料靈敏度高，氣敏性能良好。本論文研究主要結(jié)果如下:
　　1.本實驗采用溶膠-凝膠法制備的HoFeO3納米材料，在燒結(jié)溫度為700℃時得到單一正交鈣鈦礦相結(jié)構(gòu)。對CO2表現(xiàn)出良好的氣敏性能。該材料為P型半導(dǎo)體，隨二氧化碳濃度增大，HoFeO3氣敏元件的電阻增大。
　　氣

6、敏性能:在220℃最佳工作溫度下，700℃退火的HoFeO3氣敏元件對2000ppm，4000ppm，6000ppmCO2氣體的氣敏響應(yīng)分別為:1.842，2.195，2.47。
　　2.采用溶膠-凝膠法制備的GdFeO3納米材料，在燒結(jié)溫度為700℃時得到單一正交鈣鈦礦相結(jié)構(gòu)。對CO2表現(xiàn)出良好的氣敏性能。GdFeO3亦為P型半導(dǎo)體，隨二氧化碳濃度增大，GdFeO3氣敏元件的電阻增大。
　　氣敏性能:在220℃最佳工作溫度

7、下，700℃退火的GdFeO3氣敏元件對2000ppm CO2氣體的氣敏響應(yīng)為:1.453。GdFeO3對CO2的響應(yīng)時間約為70s～90s，恢復(fù)時間約為60s～80s。
　　3.采用溶膠-凝膠法制備的YFeO3納米晶材料，在燒結(jié)溫度為800℃時得到單一正交鈣鈦礦相結(jié)構(gòu)。對CO2表現(xiàn)出良好的氣敏性能。隨二氧化碳濃度增大，YFeO3氣敏元件的電阻增大。
　　氣敏性能:在220℃最佳工作溫度下，800℃退火的GaFeO3氣敏元件