Bi/Y掺杂SnO2分级纳米花和BiFeO3微球的制备及其气敏性能研究

• 作 者: 朱凯明
• 出 处: 西北师范大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 半导体 SnO2 BiFeO3 气敏传感器 甲醛

作为一种代表性的n型IV-VI族金属氧化物半导体材料,二氧化锡（SnO₂）在室温条件下的禁带宽度为3.6 eV,且激子束缚能达到130 meV。其作为半导体纳米气敏材料在过去几十年间使气敏传感器得到了迅速的发展,但目前仍存在选择性差、工作温度高、不能在短时间内对低浓度的目标气体响应恢复等缺点。为了改善其气敏性能,可以通过构筑3D分级花状结构,并结合稀土及其他元素掺杂对SnO₂纳米材料进行改性,从而满足实际需求。同时迫切需要探索多元金属氧化物材料在气敏方面的应用来拓宽气敏材料的研究领域。本文主要以水热法分别制备了Y和Bi掺杂SnO₂的分级花状纳米结构以及多金属氧化物核桃形BiFeO₃微球,并分别研究了它们的气敏特性。本论文的主要工作包括以下三部分:（1）为了提高传统SnO₂半导体纳米材料的气敏性能,采用简便的一步水热法合成了Bi掺杂的SnO₂分级花卉状纳米结构。不同的技术表征结果表明,Bi离子已成功地掺杂到SnO₂晶格中,且样品呈现出许多均匀的由多层花瓣状的薄纳米片组成的花状纳米结构。由于这种独特的3D分级花卉状纳米结构和Bi掺杂,基于Bi掺杂的SnO₂传感器对甲醛表现出优越的气敏特性。在170℃的最佳工作温度下,传感器表现出较高的响应值、较快的响应/恢复时间、较好的稳定性和良好的选择性。因此,Bi掺杂SnO₂分级花状纳米结构可作为未来制造高灵敏度甲醛气敏传感器的候选半导体气敏材料。（2）为了改善传统的SnO₂半导体材料的气敏性能,同样采用一步水热法制备了掺Y的SnO₂分级花卉状纳米结构。各种表征结果表明,三价Y离子已成功地掺杂到SnO₂晶格中,且样品呈现出大量均匀的由许多薄而粗糙的纳米片组成的花状结构。得益于这种独特的分级花状结构和Y掺杂,与SnO₂相比,基于掺Y的SnO₂材料的传感器在气敏检测方面表现出了很大的改进。在较低的最佳工作温度（180℃）下,其对甲醛具有更高的响应值、更快的响应/恢复时间和良好的选择性。特别是该传感器对甲醛最低检测限度已降至1 ppm。因此,掺Y的SnO₂分级花状纳米结构在未来同样可以作为制备高性能检测甲醛气体传感器的合适的候选材料。（3）采用简单的水热法成功地合成了结晶度较高的核桃形BiFeO₃微球。同时,研究了核桃形BiFeO₃微球的形貌生长过程,并对微球进行了研究。并系统地研究了基于BiFeO₃微球制备的气敏传感器对甲醛、乙酸、丙酮、乙醇等气体的气敏性能。结果表明,在最佳工作温度为240℃时,该气敏传感器对上述气体表现出典型的p型半导体气敏特性,包括响应值高,良好的的重复性和快速的响应/恢复时间,这为铋铁氧体在将来发展成为新型的多金属氧化物半导体气敏材料提供了实验依据。