IB元素及膜厚对LaFeO3电性和乙醇气敏特性影响的研究

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LaFeO3是一种比较典型的钙钛矿型氧化物,随着越来越多人们对其探究的深入,发现其多种特殊的性能,并且已经开始应用于光催化降解、燃料电池和气敏传感器等多个领域。LaFeO3体系的纳米材料具有稳定的结构,在对还原性气体的气敏性能方面表现出高的气体响应和杰出的选择性。  在这类材料的实际应用中,人们发现材料的形貌特征,如材料的形状和结构、微晶的大小等,都会直接影响着材料的性能。LaFeO3纳米材料具有表面活性高、表面气体通道多、比表面积大、易于合成等诸多优势,因此备受研究人员青睐。本文选择LaFeO3纳米材料作为乙醇气敏传感器的基体材料,为了进一步改善传感材料的气敏特性,我们设计I B元素Cu、Ag、Au掺杂LaFeO3的实验,并且还探究了LaFeO3薄膜厚度对电学性质和乙醇气敏性能的影响。  具体研究内容结果如下:  (1)利用溶胶凝胶法制备不同质量比Cu掺杂LaFeO3纳米材料,其比例分别为0、0.5 wt%、1 wt%。Cu掺杂LaFeO3纳米材料的阻值比纯LaFeO3纳米材料的阻值大,可能原因是氧空位补偿占主导作用,使材料内部电子浓度升高,中和导电空穴。Cu掺杂LaFeO3纳米材料对乙醇气体响应没有提升反而下降,这可能是因为掺杂离子的选择有问题。  (2)利用溶胶凝胶法制备不同摩尔比Ag掺杂LaFeO3纳米材料,该材料对乙醇气体表现出良好的气体响应,其中Ag掺量为3 at%气体传感器对200 ppm乙醇的响应值最大,可达到184.1,是纯的3.8倍。通过SEM分析显示,随着Ag掺量的增加,颗粒分散更加均匀。Ag的掺入弱化了颗粒之间的团聚,使气体通道增多,为气体的吸附提供了大量的活性位点。  (3)利用溶胶凝胶法制备不同质量比Au修饰LaFeO3纳米材料,探究Au掺杂对LaFeO3电性和气敏特性的影响。Au的掺入导致电阻增加,提高了对乙醇的气体响应。其中Au掺量为1.0 wt%的气体传感器,在128℃下,对100 ppm乙醇气体响应值为47.6。通过对DMF、CH2Cl2、乙醇、C6H14、CO2和H2的测试,发现对乙醇具有良好的选择性。XRD结果中没有出现Au的特征峰,可能是Au的掺量太少或是Au的特征峰(111)与LaFeO3特征峰(112)交叠难以区分。  (4)利用溶胶凝胶法制备纯LaFeO3纳米传感材料,用其制成一系列不同膜厚(40-234μm)的传感器。探究膜厚度对LaFeO3纳米颗粒电学性质和乙醇气敏特性影响。薄膜厚度增加导致电阻减小,宏观上由于载流子流动截面面积的增加,微观上由于小极化子跃迁所导致活化能的下降。薄膜厚度决定着传感器的最佳工作温度、气体响应、动态响应、气体选择性等气敏参数。用SEM对薄膜厚度进行测量,表征表面形貌以及传感材料的微观结构。其中,传感器膜厚度约195μm显示最佳性能,具有快速的动态响应、高气体响应和良好的选择性。
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