掺杂改性纳米晶SnO2薄膜制备及其气敏特性的研究

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SnO2半导体气敏传感器因其具有结构简单,成本低廉,灵敏度高,工艺成熟等优点,被广泛用于可燃性气体、有毒气体的检漏报警,以及环境气体的监控等领域。本文采用溶胶-凝胶提拉法以无机金属盐SnCl2·H2O为原料,制备纳米晶SnO2薄膜。通过Sb、Ag和Si等元素掺杂,来降低工作温度、提高灵敏度,从而得到较高气敏性的纳米晶SnO2薄膜。  研究了热处理温度、薄膜层数、pH值、溶胶浓度等因素对SnO2薄膜气敏性能的影响。实验结果表明,溶液浓度为0.6mol/L、pH值2.5、陈化4天,薄膜层数为6层,烧结温度为570℃时所得纳米晶SnO2薄膜性能较好,检测温度320℃时,检测1000ppmH2灵敏度达到2.30。  分别研究了Cu和Sb掺杂对SnO2薄膜气敏性的影响。实验结果表明,Sb和Cu的掺杂都可以提高SnO2薄膜的气敏性,其中Sb的掺杂效果较好。当Sb的掺杂含量为3%时,检测温度320℃时,检测1000ppmH2灵敏度达到2.95。  为了进一步提高SnO2薄膜的气敏性,研究了Sb和Ag的复合掺杂对SnO2薄膜气敏性的影响。实验结果表明,Sb和Ag的复合掺杂可以进一步提高SnO2薄膜的气敏性。当Sb和 Ag的掺杂含量分别为3%和1%时,检测温度290℃时,检测1000ppmH2灵敏度达到3.61。  为了降低检测温度,研究了Sb、Si和Ag复合掺杂对SnO2薄膜气敏性的影响。实验结果表明,Sb、Si和Ag的复合掺杂可以降低SnO2薄膜的检测温度。当Sb、Si和Ag的掺杂含量分别为3%、1%和1%时,检测温度260℃时,检测1000ppmH2灵敏度达到3.52。  采用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)和扫描电镜(SEM)等测试手段,对掺杂前后的SnO2气敏薄膜晶型、晶粒大小等进行了分析。结果表明,所得纳米晶SnO2薄膜为金红石晶相,Cu、Sb、Si和Ag的掺杂降低了薄膜晶粒尺寸,增加了孔隙率和比表面积,其中Sb、Ag和 Si的复合掺杂晶粒尺寸为10~15nm。
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