紫外激发ZnO-TiO<,2>纳米复合材料气敏性能及机理分析

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金属半导体氧化物传感器以其价格低廉、便于携带、准确度高等优点得到了广泛的应用。但由于金属半导体氧化物的最佳工作温度在175℃-425℃范围内,因此必须设计加热器以满足最佳工作温度。由此带来了很多问题,加热装置不仅增加了气敏传感器的大小,不利于集成化,也带来了大量的能耗,更限制了其在爆炸性气体检测方面的应用。为了解决这个问题,本文希望通过引入异质结,采用紫外激发的方式降低气敏材料的工作温度。本文分别以化学水热法和机械球磨混合法制备的ZnO-TiO2纳米复合材料粉末作为气敏元件的基体材料,制作厚膜型管状气敏元件。采用紫外光激发(波长为368 nm左右),研究了ZnO-TiO2气敏元件在室温(25℃)条件下对乙醇气体的气敏响应。紫外光激发能够引起ZnO-TiO2厚膜气敏元件的电导率的急剧上升,降低了ZnO-TiO2气敏元件的工作温度,使ZnO-TiO2在室温的工作条件下对100ppm的乙醇气体有良好的气敏响应。XRD测试显示,化学水热法和机械球磨混合法都制得了ZnO-TiO2纳米复合材料。在450℃烧结2h后没有新相的产生。气敏测试表明:纯ZnO以及ZnO-TiO2厚膜气敏元件在室温条件下的气敏性能是随着光强的增加而增大,随着温度的增高而增大,随着乙醇气体浓度的增加也呈现了上升的趋势。同时,对于机械球磨混合制得的不同摩尔配比的ZnO-TiO2气敏元件,在TiO2含量为30%时,呈现出了最优良的性能。在室温条件、32w/m2的紫外光强照射下,该气敏传感器对100ppm的乙醇蒸汽的敏感度为0.75,远远高于其他摩尔配比的气敏传感器。同时,对ZnO-TiO2纳米复合材料进行了紫外吸收光谱(UV-vis)、荧光发射光谱(PL)、静态光电流等一系列测试。结果显示,ZnO-TiO2纳米复合材料的禁带宽度有所降低;同时有效的异质结连接,延长了光生电子和空穴的寿命,从而增加了材料表面的载流子浓度,促进了材料表面氧化还原反应的进行,提高了气敏元件的气敏性能。而通过测试材料的静态光电流得到了其入射光子-电流转换效率IPCE(incidentmonochromatic photon-to-current conversion efficiency)性能,显示在30%的成分点处得到最优的IPCE值,进一步证实了前面的实验结果。最后,通过对ZnO-TiO2纳米复合材料的复阻抗测试,分析了其晶界电阻的变化。
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