论文部分内容阅读
在过去几年里,金属氧化物半导体气敏传感器发展迅速,在检测污染物、有毒有害气体方面发挥了巨大作用。到目前为止,已经有大量的金属氧化物半导体材料被用来制作气敏元件,这些金属半导体氧化物包括二元氧化物(如ZnO、NiO、WO3等),三元氧化物(如ZnFe2O4、NiFe2O4、ZnCo2O4等)以及由四种或四种以上更为复杂的金属氧化物,这些氧化物因其结构简单、功耗低、成本低、选择性和稳定性好而广受科研工作者的欢迎。尖晶石结构尤其是尖晶石铁氧体(AFe2O4,A=Zn、Cu、Mg、Ni等)属于三元金属氧化物半导体材料,被广泛应用于各种领域,像气体传感器、光催化剂、磁性材料、锂离子电池以及太阳能电池等。近几年纳米科技迅猛发展,纳米材料指晶粒尺寸在1～100 nm范围之内的粉末,包括氧化物、金属化合物等。因为纳米材料的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等基本特性,导致了纳米材料在物理、化学等方面都显示出特殊的性能。在论文中,我们通过溶胶凝胶法制备了 N型半导体CuFe2O4和MgFe2O4纳米粉体,并制备了传感器元件,研究了其对还原性气体丙酮以及CO的气敏研究,讨论了气敏物理机制。并探讨传感元件在紫外光和可见光照射下对丙酮和CO气体的响应特性,给出了光照增强气敏性的物理机理。本文主要研究了以下内容:1.用溶胶凝胶法制备了 CuFe2O4纳米粉体,并分别在空气中400℃、500℃、600℃、700℃和800℃条件下退火3h。XRD结果显示,退火后的CuFe2O4是立方尖晶石结构。在常温常压下,我们对不同退火温度得到的材料在120℃～280℃工作温度范围下对3 ppm丙酮的气敏性进行了探究,发现器件电阻遇见丙酮时,电阻下降,这是由于丙酮转移电子给材料表面。最佳退火温度为500℃,最佳工作温度均为220℃。之后测试了 500℃退火下得到的CuFe2O4纳米粉体,在最佳工作温度220℃下对0.5 ppm、1 ppm、3 ppm和5 ppm丙酮的最佳响应值分别是1.207、1.83、3.147和4.316。我们测量了 CuFe2O4纳米粉体的常温禁带宽度,为1.76 eV。我们利用紫外光(波长365 nm)和可见光(波长410 nm和450 nm)对传感元件进行照射,在紫外发光器功率50 mW下,经测试得到紫外光照射下的最佳工作温度是180℃,同时材料对丙酮的响应值也得到提升。可见光功率是100 mW,经测试得到410 nm和450 nm波长的光照下的最佳工作温度分别为200℃和220℃,同时材料对丙酮的响应值也有所提升。上述紫外以及可见光的光子能量高于禁带宽度,在半导体材料表面区域产生光生电子以及空穴对。其光生电子与电吸附氧分子作用产生光诱导吸附氧离子。这些光诱导吸附氧离子与丙酮进一步反应,从而增强气敏响应。在紫外光以及410nm可见光照射下的最佳工作温度降低了,说明这些光诱导吸附氧离子脱附更容易。2.用溶胶凝胶法制备了 MgFe2O4纳米粉体,并分别在空气中400℃、500℃、600℃、700℃和800C条件下退火3 h。常温常压下,我们对不同退火温度得到的材料在120℃～260℃工作温度范围下对3 ppm丙酮的气敏性进行了探究,发现器件电阻遇见丙酮时,电阻下降,这是由于丙酮转移电子给材料表面。最佳退火温度为500℃,最佳工作温度均为200℃。之后测试了 500℃退火下得到的MgFe2O4纳米粉体在最佳工作温度200℃下对1 ppm、3 ppm和5 ppm的最佳响应值分别是2.045、3.307和5.565。我们测量了 MgFe2O4纳米粉体的常温禁带宽度,为1.98 eV。我们利用紫外光(波长365 nm)和可见光(波长410 nm和450 nm)对传感元件进行照射,紫外光波长365 nm,发光器功率50 mW,可见光波长是410 nm、450 nm,发光器功率100 mW,经测试得到365 nm、410 nm和450 nm波长光照射下的最佳工作温度分别是160℃、180℃和200℃,同时材料对丙酮的响应值也得到提升。而且我们发现,同发光功率下,波长越短,光频率越高,超过禁带宽度的能量越高,越有利于材料的气敏性能提升。3.用溶胶凝胶法制备了 CuFe2O4和MgFe2O4纳米粉体,并分别在空气环境中400℃、500℃、600℃、700℃和800℃条件下退火3h。常温常压下,我们对不同退火温度得到的CuFe2O4和MgFe2O4材料在160℃～260℃工作温度范围下对500 ppm CO的气敏性进行了探究,发现器件电阻遇见CO时,电阻下降,这是由于CO转移电子给材料表面。得到CuFe2O4最佳退火温度为600℃,其最佳工作温度为220℃,响应值为2.151。引入了410 nm和450 nm的可见光,测试600℃退火温度下得到的CuFe2O4纳米粉体对500 ppm CO的最佳工作温度分别是200℃和220℃,对应的响应值分别是3.041和2.796。测试得到MgFe2O4最佳退火温度为500℃,最佳工作温度为220℃,响应值为3.735。同样引入波长为410 nm和450 nm的可见光,测试了 500℃退火下得到的MgFe2O4纳米粉体对500 ppm CO的最佳工作温度分别是180℃和200℃,对应的响应值分别是4.245和3.942。因此,410 nm和450 nm波长的可见光可以提升材料对CO的响应性能,降低最佳工作温度,而且我们发现,同发光功率下,波长越短,光频率越高,超过禁带宽度的能量越高,这有利于材料的气敏性能提升。