YbFeO3基鈣鈦礦型氧化物納米材料的氣敏性研究.pdf

1、近年來，隨著工業(yè)化水平的快速發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高，在工業(yè)生產(chǎn)、家庭安全、醫(yī)療保健以及環(huán)境監(jiān)測等領域對于氣體傳感器的性能、測量精度以及穩(wěn)定性等方面提出了更高的要求。生產(chǎn)中的廢氣會造成嚴重的環(huán)境污染，生活中的液化石油氣及天然氣等會引起爆炸或中毒等，這都需要對特定氣體進行及時有效的監(jiān)測，因此氣體傳感器的研究和開發(fā)也越來越受到重視。在過去的幾十年里，研究發(fā)現(xiàn)多種金屬半導體氧化物對某些特定的氣體顯示出了很好的氣敏性，但是普遍操作溫度過高，缺少

2、實用性。
　　鈣鈦礦型半導體金屬氧化物(ABO3)是一類重要的功能材料，因其獨特的結構和性質(zhì)受到科研工作者的日益關注。鈣鈦礦型半導體金屬氧化物作為氣敏材料具備單一金屬氧化物所不具備的優(yōu)勢，它不僅表現(xiàn)出良好的氣敏性質(zhì)，而且該類氧化物的晶體結構非常穩(wěn)定，人們可以在不改變其晶體結構的前提下用其它金屬離子部分取代A位或B位離子來改善其各項性能。
　　本文采用溶膠-凝膠法制備了YbFeO3納米材料，并且用不同比例的Ca和Pd進行摻雜改

3、性，分別對樣品對于丙酮和CO2的氣敏性質(zhì)進行了系統(tǒng)的研究，主要包括以下四方面的內(nèi)容:
　　1.制備了經(jīng)不同溫度（700℃、800℃以及900℃）退火的YbFeO3納米粉末材料，由XRD得知，只有在退火溫度達到900℃時，才能得到正交鈣鈦礦結構的YbFeO3單相，而經(jīng)700℃和800℃退火處理的樣品則呈現(xiàn)出正交型YbFeO3和六方晶型Yb2Fe3O7的混合相。YbFeO3是典型的p型半導體，而YbFeO3-Yb2Fe3O7在對丙酮的

4、氣敏測試中則表現(xiàn)出來n型半導體的性質(zhì)，我們猜測這與丙酮的吸附打破了Yb2Fe3O7表面的電荷有序態(tài)有關。700℃、800℃、900℃條件下退火的YbFeO3晶體最佳操作溫度下對丙酮的最大響應分別為1.105、1.12以及1.082。經(jīng)800-℃退火5h的YbFeO3-Yb2Fe3O7的混合相樣品對丙酮呈現(xiàn)出了最好的響應，在250℃的最佳操作溫度下，對0.5，1和3ppm丙酮氣體的最大靈敏度分別約1.12，1.21和1.42。
　　

5、2.系統(tǒng)地研究了Ca的摻雜對YbFeO3丙酮氣敏性能的影響。可以得出Ca元素的A位摻雜沒有改變YbFeO3的晶體結構。隨著Ca元素的增多，導致了Yb1-xCaxFeO3納米晶材料的晶胞體積逐漸變大，而晶粒逐漸變小，可能是Ca的摻雜阻礙了晶粒生長。此外，Ca的摻雜，較大地降低了Yb1-xCaxFeO3材料的電阻，當x=0.1時，材料的導電性能最好，電阻達到最小，隨著摻雜濃度的增大，材料的電阻略有上升。Yb1-xCaxFeO3傳感器的電阻在

6、接觸到丙酮氣體之后顯著增加，在離開丙酮后降低，這顯示出了p型半導體傳感器的典型特征。Yb1-xCaxFeO3在x=0.1，0.2和0.3時，最佳操作均為溫度均為230-℃。在此溫度下，材料對于0.5ppm丙酮的靈敏度響應Rg/Ra分別為1.66，2.32以及1.26，說明適量(約20at％)的Ca的摻雜，不僅可以降低最佳操作溫度，而且顯著地提高了材料的靈敏度。x=0.2時，材料對丙酮表現(xiàn)出最高響應。Yb0.8Ca0.2FeO3傳感器的電

7、阻隨著相對濕度（在13％到45％范圍之內(nèi)）的增加而減小。而傳感器對丙酮氣體的響應隨著相對濕度的增加而增加，當相對濕度大于22％時變化尤其明顯。Yb0.8Ca0.2FeO3對丙酮氣體的靈敏度響應(Rg/Ra)隨著丙酮氣體濃度的增加而增加，在最佳工作溫度(230℃)下，Yb0.8Ca0.2FeO3傳感器對0.05，0.1，0.5，1，1.5，2和3ppm丙酮氣體的最大響應分別為約1.2，1.53，2.32，3.03，4.0，4.12和5.0

8、。此外，還證實了Yb0.8Ca0.2FeO3對丙酮氣體具有良好的選擇性。
　　3.研究了Pd的摻雜對Yb0.8Ca0.2FeO3丙酮氣敏性能的影響。發(fā)現(xiàn)適量的Pd的摻雜可以大大提高傳感器對丙酮的靈敏度響應，而過量的摻雜又會降低元件的氣敏性能，3wt.％的Pd摻雜的Yb0.8Ca0.2FeO3對丙酮表現(xiàn)出了最大的響應。3wt.％Pd摻雜的Yb0.8Ca0.2FeO3傳感器對丙酮的最大響應隨著丙酮氣體濃度的增加而增加，最佳操作溫度為2

9、30℃。在230℃下，傳感器對0.1 ppm，0.5 ppm，1 ppm以及3ppm丙酮氣體的響應分別為2.22，3.58，5.22以及7.36。此外，還研究了濕度對傳感器氣敏性能的影響，3wt.％ Pd摻雜Yb0.8Ca0.2FeO3對不同濃度丙酮的響應隨濕度的增加而增大。在相對濕度為54％時，3wt.％ PddopedYb0.8Ca0.2FeO3對0.5 ppm，1 ppm以及3 ppm丙酮的響應可以達到3.86，7.12以及9.5

10、2。
　　4.制備了經(jīng)950℃退火4h的Yb1-xCaxFeO3，系統(tǒng)地研究了其對于CO2的氣敏性能。在測試對于CO2的氣敏性能中，發(fā)現(xiàn)不同Ca摻雜含量的Yb1-xCaxFeO3最佳工作溫度相同均為260℃。在此溫度下，Yb1-xCaxFeO3傳感器對5000ppmCO2的響應Rg/Ra在x=0，0.1，0.2和0.3時分別為1.216，1.529，1.852和1.248。即x=0.2時，響應達到最大。因此，接下來又進一步研究了Y

11、b0.8Ca0.2FeO3的有關性質(zhì)。Yb0.8Ca0.2FeO3傳感器對1000 ppm，3000 ppm，5000 ppm，10000 ppm和50000ppm CO2的最大響應Rg/Ra分別為1.278，1.769，1.852，2.056和3.815。隨CO2濃度增加，Yb0.8Ca0.2FeO3的響應時間變短，恢復時間變長。而Yb0.8Ca0.2FeO3響應時間和恢復時間都隨著操作溫度的升高而降低。在濕度方面，Yb0.8Ca0.