【摘要】：工業(yè)發(fā)展帶來的廢氣污染問題日益嚴峻,因此高性能氣敏傳感器的研發(fā)對廢氣排放的實時監(jiān)測至關(guān)重要。在眾多的氣敏傳感器中,金屬氧化物基氣敏傳感器因諸多優(yōu)點受到研究者廣泛關(guān)注。經(jīng)過多年發(fā)展,一元半導(dǎo)體金屬氧化物的響應(yīng)值得到了較大的提升,但選擇性差等固有弊端制約其進一步應(yīng)用。相較于一元金屬氧化物,二元金屬氧化物具有更加豐富的結(jié)構(gòu)類型和物理化學(xué)性質(zhì)。近來二元金屬氧化物半導(dǎo)體在氣敏傳感器領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。作為二元金屬氧化物的典型代表BiVO4和CuBi204因其特殊的結(jié)構(gòu)已被成功應(yīng)用于光催化水分解和有機染料降解等領(lǐng)域。材料的氣敏性能同樣與其表面狀態(tài)和載流子傳輸息息相關(guān),因而BiV04和CuBi2O4被認為是潛在的氣敏材料。目前關(guān)于二者氣敏性能的研究尚處于起始階段,仍存在眾多待解決的問題,為此我們圍繞這兩種材料展開以下研究:(1)采用共沉淀法制備多面體形貌的單斜相BiV04顆粒,發(fā)現(xiàn)其在75℃下對H2S氣體具有良好的選擇性,通過Mo6+摻雜進一步提升其氣敏性能。進一步的XRD及XPS表征分析發(fā)現(xiàn),適當(dāng)?shù)腗o6+摻雜會改變單斜相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,從而增加氧空位的濃度,提升樣品表面的活性位點,因而優(yōu)化了 Mo6+摻雜BiV04顆粒的氣敏性能。(2)借助簡單的液相激光燒蝕,優(yōu)化了 BiVO4顆粒的形貌,改變其結(jié)晶性,增加氧空位濃度,從而提升了其對H2S氣體的響應(yīng)能力。液相激光燒蝕后的BiV04顆粒形貌由多面體轉(zhuǎn)化為球形,并通過改變激光能量來調(diào)控其粒徑大小。通過XPS表征發(fā)現(xiàn),100 mJ激光處理后的BiVO4顆粒其氧空位濃度增幅最大,進一步測試也表明其氣敏性能最優(yōu)。(3)采用共沉淀法制備CuBi2O4粉末,并通過改變反應(yīng)過程中溶劑的比例以及NaOH濃度來調(diào)控其形貌和缺陷濃度進而優(yōu)化其氣敏性能。此外,為優(yōu)化樣品的結(jié)晶性以及增加氧空位濃度,采用不同能量的532 nm波長激光燒蝕樣品,進一步優(yōu)化樣品的結(jié)晶性和提升其氧空位濃度。通過XPS表征發(fā)現(xiàn),100 mJ激光燒蝕后的CuBi204其氧空位濃度增幅最大,氣敏測試結(jié)果表明該樣品對乙醇氣體的響應(yīng)明顯優(yōu)于其他樣品。
【學(xué)位授予單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212;O611.62
【圖文】：

因為吸附氧的存在，在晶界處會形成接觸勢壘，也就是所謂的高阻Ｒ，其能＇逡逑帶示意圖如圖１－２⑻所示。而當(dāng)敏感材料置于還原性氣氛Ｃ０中時，ＣＯ邋４吸附氧逡逑發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)卞Ｈｉ邋ｆ，接觸勢壘降低，也就是電阻降低，反應(yīng)后的能帶逡逑承意圖如圖ｌ－２（ｂ）所示Ｍ。如果Ｈ邋ｆ氧化性氣氛中，會繼續(xù)消耗電子勢壘增加電阻逡逑增大。Ｐ型半導(dǎo)體與之相反。逡逑（３）等效電路模型逡逑把氣敏傳感過程中材料晶粒表面的一些物理化學(xué)變化的過程和電子的傳輸逡逑相結(jié)合，建４一種等效電路模型來進？步闡釋其氣敏機理。Ｎ型半導(dǎo)體金屬氧化逡逑物，在和空氣中的氧氣反應(yīng)的過程中，表面失去電子，因為其流子為電子，表逡逑面失去電子電阻較高，而內(nèi)部核心位置相對電阻就較低。在進？步和探測Ａ（休反逡逑應(yīng)的過程中，主要的電阻變化發(fā)生在敏感材料的表面位置，Ｎ甩＇卜Ｗ＊？體Ｍ料農(nóng)Ｉｆｌｌ＇逡逑的電阻較大，囡而其在反應(yīng)過程中對整個的電路體系影響就較大。相反的Ｐ型＇卜逡逑導(dǎo)體

邐ｓｕｒｆａｃｅ邐ｇａｓ邋邐？逡逑圖１－１邋（ａ）邋ｎ型半導(dǎo)體表面存在化學(xué)吸附氧后能帶變化示意圖Ｉ２％邋（ｂ）邋ｎ型半導(dǎo)體暴露在Ｈ：Ｓ氣逡逑氛前后空間電荷層變化示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋（ａ）邋Ｂａｎｄ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｎ－ｔ＼ｐｃ邋ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ邋ｍｅｔａｌ邋ｏｘｉｄｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ａｆｔｅｒ邋ｃｈｅｍｉｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ｏｆ逡逑ｏ＼＼邋ｇｃｎ；邋Ｉ２４＊邋（ｂ）邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｆｏｒ邋Ｈ：Ｓ邋ｇａｓ邋ｓｅｎｓｉｎｇ逡逑（２）晶界勢壘模型逡逑半導(dǎo)體敏感材料多為多晶體，影響其敏感行為的不僅有單個晶粒的吸附／脫附，逡逑還有晶界的影響。尤其是當(dāng)晶粒本身的電阻很小，敏感材料１邋ｊ探測氣體反應(yīng)所產(chǎn)逡逑也的電阻變化丨？：要由晶界電阻所決定Ａ。當(dāng)ｎ型半導(dǎo)體作為敏感材料暴露在空氣中逡逑時，因為吸附氧的存在，在晶界處會形成接觸勢壘，也就是所謂的高阻Ｒ，其能＇逡逑帶示意圖如圖１－２⑻所示。而當(dāng)敏感材料置于還原性氣氛Ｃ０中時，ＣＯ邋４吸附氧逡逑發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)卞Ｈｉ邋ｆ，接觸勢壘降低，也就是電阻降低，反應(yīng)后的能帶逡逑承意圖如圖ｌ－２（ｂ）所示Ｍ。如果Ｈ邋ｆ氧化性氣氛中，會繼續(xù)消耗電子勢壘增加電阻逡逑增大。Ｐ型半導(dǎo)體與之相反。逡逑（３）等效電路模型逡逑把氣敏傳感過程中材料晶粒表面的一些物理化學(xué)變化的過程和電子的傳輸逡逑相結(jié)合，建４一種等效電路模型來進？步闡釋其氣敏機理。Ｎ型半導(dǎo)體金屬氧化逡逑物

進行元素摻雜來調(diào)節(jié)其缺陷和載流子濃度，提升其對ＣＯ、乙醇、丙酮等氣體的響逡逑應(yīng)［Ｘ１３４ｌ。Ｚ．邋Ｆ．邋Ｄａｉ［３５ｌ等人通過模板法合成了多孔的ＬａＦｅＣｈ薄膜，發(fā)現(xiàn)相較于Ｆｅ２0３逡逑薄膜氣敏性能有較大提升。如圖１－５所示。作者認為，所制備的Ｆｅ２Ｃｈ和ＬａＦｅＣｂ逡逑其形貌、晶粒尺寸、薄膜厚度都十分相近，造成其性能差異的原因可能是Ｆｅ２０３逡逑和ＬａＦｅＯ．；表面的酸堿狀態(tài)和活性位點數(shù)不同。在酸性條件下，乙醇容易轉(zhuǎn)化為逡逑Ｃ２Ｈ４而在中性條件下乙醇容易轉(zhuǎn)化為ＣＨ．ＣＨＯ，邋ＣＨＣＨＯ的活性更高，更容易轉(zhuǎn)逡逑化為（：０２和Ｈ２０，所以導(dǎo)致了中性氧化物ＬａＦｅＣｂ和乙醇氣體反應(yīng)前后電阻變化較逡逑大

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 陳長倫,何建波,劉偉,劉錦淮;電化學(xué)式氣體傳感器的研究進展[J];傳感器世界;2004年04期

本文編號：2747925