納米晶鈣鈦礦型（La，Nd）-,y-（Fe，Co）-,1-x-Zn-,x-O-,3-（y≤1）材料的制備及氣敏特性研究.pdf

1、鈣鈦礦稀土氧化物ABO<,3>對某些氣體具有很高的靈敏度、良好的選擇性和高度的穩(wěn)定性，其性質(zhì)還可通過對A位，B位進行部分替代或者同時進行部分替代進行調(diào)整。這種氣敏特性在近年來引起了科學工作者的極大興趣和高度重視。 本文用溶膠凝膠法合成了(La，Nd)<,Y>(Fe，Co)<,1-x>ZnxO<,3>納米粉體，并對其導電以及氣敏特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)具有鈣鈦礦晶體結(jié)構的復合氧化物(La，Nd)<,Y>(Fe，Co)<,1-x>Zn<

2、,x>O<,3>不僅具有良好的氣敏性能，且比單一氧化物具有更好的選擇性，并且zn的摻入增大(La，Nd)<,Y>(Fe，Co)<,1-x>Zn<,x>O<,3>的導電能力和氣敏性能。所得結(jié)果如下： (1)XRD圖譜表明x≤0.3時La(Fe，Co)<,1-x>>Zn<,x>O<,3>粉體均為單一的鈣鈦礦結(jié)構；隨著Zn含量的提高，樣品La(Fe，Co)<,1-x>Zn<,x>O<,3>的晶胞參數(shù)先是增大然后又有所縮小，這是因為Zn

3、離子半徑大于Fe離子半徑，當Zn替代Fe后La(Fe，Co)<,1-x>Zn<,x>O<,3>晶胞參數(shù)會有所增大，但與此同時Zn替代(Fe，Co)后為了保持電中性會有部分氧空位出現(xiàn)，為保持鈣鈦礦結(jié)構，La(Fe，Co)<,1-x>Zn<,x>O<,3>晶胞會部分收縮． (2)實驗發(fā)現(xiàn)La(Fe，Co)<,1-x>Zn<,x>O<,3>均為P型半導體。隨著工作溫度的升高，晶體表面的吸附氧捕獲了晶粒內(nèi)部的電子，從而使樣品中起導電作用

4、的空穴數(shù)量增加，因而樣品的導電能力隨溫度的升高而增加；通過實驗可以看出Zn的摻雜明顯提高了材料的導電能力，當Zn分別替代Fe和Co后形成點缺陷zn<'x><,Fe>和Zn<'x><,Co>其發(fā)生電離產(chǎn)生空穴h：Zn<'x><,Fe>→zn′<,Fe>+hZn<'x><,Co>→Zn′<,Co>+h由于zn的摻入是大量的，所以zn<'x><,Fe>和Zn<'x><,Co>電離所產(chǎn)生空穴的數(shù)目遠高于[V<,la><,'X>]電離產(chǎn)生的空穴，

5、從而引起氣敏元件的電導的增加：但是，當Zn替代量X=0.3時，樣品中出現(xiàn)了大量的氧空位，空位補償增大了導電電子的濃度，發(fā)生了對空穴的湮滅，反而減小了材料的表面空間電荷層內(nèi)空穴h的濃度，引起該材料電導的降低． (3)利用LaFe<,1-x>Zn<,x>O<,3>制作的元件對低濃度的甲醛氣體均具有較好的靈敏性，其中又以LaFe<,0.77>Zn<,0.23>O<,3>對甲醛的靈敏度最高，對其它氣體氣敏性很小，顯示了很好的選擇性，甲醛

6、氣體的濃度與靈敏度呈良好的線性關系，這易于傳感器設計．LaFe<,0.77>Zn<,0.23>O<,3>氣敏元件對甲醛的響應和恢復時間較短，并且LaFe<,0.77>Zn<,0.23>O<,3>氣敏元件具有良好的穩(wěn)定性．因此LaZn<,0.23>Fe<,0.77>O<,3>是一種檢測甲醛的有發(fā)展前途的氣敏材料。 (4)利用LaCo<,1-x>Zn<,x>O<,3>，制作的元件對低濃度的乙醇有較好的靈敏性，對其他氣體基本沒有氣敏性

7、，顯示了很好的選擇性。因此，該材料可用于乙醇氣體的低濃度檢測。 (5)XRD譜圖表明Zn的摻入并未改變Nd<,y>Fe<,1-x>Zn<,x>O<,3>的鈣鈦礦結(jié)構，當x達到0.17時沒有其它雜峰出現(xiàn)。用Nd<,y>Fe<,1-x>Zn<,x>O<,3>納米粉體制成氣敏元件，測試了材料對甲烷氣體的氣敏特性。測試結(jié)果表明Zn的適量摻入可提高對甲烷的靈敏度。其中以Nd<0.85>Fe<0.93>Zn<0.07>O<,3>對甲烷的靈敏

8、度最大，在最佳工作溫度200℃下對4×10<,-6>mol/L的甲烷氣體靈敏度最大值為3.87，在2×10同<'-5>mol/L的甲烷氣體中靈敏度最大值為16。Nd<,0.85>Zn<,0.07>Fe<,0.93>O<,3>還表現(xiàn)出了極好的響應恢復時間特性，工作溫度200℃時對2×10<'-5>mol/L的甲烷響應、恢復時間分別為25s和45s。測試了材料對甲醛氣體的氣敏特性。測試結(jié)果表明Zn的適量摻入可提高對甲醛的靈敏度。其中以Nd<

9、,0.92>Fe<,0.96>Zn<,0.04>O<,3>對甲醛的靈敏度最大，在最佳工作溫度260℃下對100ppm的甲醛氣體靈敏度最大值為28，并且對甲苯，氫氣，丙酮具有抗干擾性。 (6)XRD圖譜表明La<,Y>Fe<,1-x>Zn<,x>O<,3>粉體不再為單一的鈣鈦礦結(jié)構而是出現(xiàn)了微量的ZnFe<,2>O<,4>的雜峰。利用La<,y>Fe<,1-x>Zn<,x>O<,3>制作的氣敏元件對乙醇有很高的靈敏度，其中La<,

10、0.53>Fe<,0.77>Zn<,0.33>O<,3>對2000ppm的乙醇靈敏度達到了1300左右，這可能是由于La<,Y>Fe<,1-x>Zn<,x>O<,3>中含有部分ZnFe<,2>O<,4>，而ZnFe<,2>O<,4>是n型半導體，兩者之間會形成p-n異質(zhì)結(jié)，引起材料電阻的增大：基于氣敏元件互補反饋和互補增強原理而導致其對氣體有較高的靈敏度．進一步的實驗發(fā)現(xiàn)La<,0.53>Fe<,0.77>Zn<,0.33>O<,3>對

11、甲醛和丙酮靈敏度較小。這說明La<,0.53>Fe<,0.77>Zn<,0.33>O<,3>對乙醇有較好的選擇性。 (7)XRD圖譜表明La<,Y>Fe<,1-x>Zn<,x>O<,3>粉體不再為單一的鈣鈦礦結(jié)構而是出現(xiàn)了部分ZnCo<,2>O<,4>的雜峰，并且雜峰的強度隨著La缺位的增大而變強．測試了La<,y>Co<,1-x>Zn<,x>O<,3>對二甲苯，丙酮，甲醛等氣體的靈敏度，結(jié)果表明La<,0.53>Co<,0.7