Ag+掺杂TiO2-SnO2基纳米复合材料气敏性能.pdf

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1、第3 2 卷第7 期2 0 1 0 年0 7 月武汉工程大学学报J W u h a nI n s t T e c h V 0 1 3 2N o 7J u l 2 0 1 0文章编号：1 6 7 4 2 8 6 9(2 0 1 0)0 7 0 0 7 1 0 3A g+掺杂T i 0 2 一S n 0 2 基纳米复合材料气敏性能付萍，林志东(武汉r-：g 大学材料科学与工程学院，湖北武汉4 3 0 0 7 4)摘要：采用溶胶凝胶法制备了T i 0 2 一S n 0 2 复合纳米材料，以其为基底进行A g+掺杂作为气敏材料，制备成旁热式气敏元件，研究了无光照和3 1 3n m 紫外光照下元件对有机

2、挥发气体甲醇和乙醇的气敏特性结果表明：紫外光照可使半导体元件的电导显著增大，提高元件对醇类有机挥发性气体的灵敏性，2 4 0 时灵敏度为6 2，是无光照时的I 5 倍；在乙醇气体浓度为4 5 1 0“m o l L 时灵敏度达到2 6 5，而无光照时仅为9 5 关键词：二氧化钛；二氧化锡；A g+掺杂。；紫外光照；气敏性中图分类号：T N3 0 4 9 2文献标识码：Ad o i：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 4 2 8 6 9 2 0 1 0 0 7 0 1 8O引言S n O。气敏传感器具有优异的气敏性能，是目前主要的商用半导体气敏传感器但此类传感器要求的工作温度

3、较高(3 0 0)，器件功耗较大因此，探索提高S n O：气敏材料性能的方法，降低气敏传感器的工作温度成为近年来气敏材料研究的重点目前提高金属氧化物半导体气敏性能的方法主要有纳米化、掺杂和复合以及紫外光照口呻 材料纳米化以及掺杂修饰都不同程度地提高了气敏元件的气敏性能，但依然存在灵敏度偏低，主要表现为检测V O C s 气体的浓度下限不够低采用紫外光辐照可提高某些金属氧化物传感器对气体的敏感程度，缩短响应和恢复时间尤其降低了工作温度，使其能适应多种含易燃、有毒气体的环境，大大提升了该类传感器的实用性，具有较高的研究价值纳米T i O：具有较好的光催化性能，禁带宽度为3 2e V，在紫外光照下能

4、产生大量的空穴一电子对关于T i O：-S n O z 复合体系的气敏性能已有广泛探讨，但对其进行金属离子掺杂后在紫外光照下进行研究却鲜见报导本文通过对T i 0 2-S n O：复合纳米材料进行A g+掺杂，将其作为气敏材料制备成烧结式气敏元件，研究了紫外光照下气敏元件对V O C s 气体甲醇、乙醇的气敏性能1实验部分1 1纳米复合材料及气敏元件的制备以T i(O C。H。)t、S n C l。5 H 2 0 为原料，采用溶胶一凝胶法(s o l g e l)制备了T i O。一S n o：(S n：T i 一7；1)复合纳米粉体取适量放置于锥形瓶中，向锥形瓶中滴入一定量的配制好的0 1m

5、 o l L 的A g N O。溶液，使得瓶中A g+浓度达到0 5(质量比)，从而制得复合掺银气敏材料T i O。一S n O。一A g+向复合粉体中掺入适量的聚乙二醇分散剂和乙基纤维素粘结剂后进行充分研磨，得到均匀的气敏浆料，将气敏浆料均匀涂敷在上有金电极的A l：o。陶瓷管表面，室温自然风干后在马弗炉内4 5 0 烧结3 0r a i n，冷却取出，得到气敏元件1 2 复合粉体表征复合材料粒子的大小和形貌用J M S-5 5 1 0 I，V型扫描电子显微镜进行观察，并通过扫描电镜微区成分分析确定复合材料中S n T i 比例为7：1 1 3气敏性能测试气敏测试利用W S-3 0 型静态气

6、敏测试仪，采用静态配气法，利用功率为4W 的紫外仪，光源距气敏元件距离0 21 T I，分别在无紫外光照、波长为3 1 3r i m 的紫外光辐照下对气敏元件的气敏性能进行测试灵敏度S=R。R。，R。和R。分别为气敏元件在空气中和在待测气体中的电阻值2 结果与分析2 1纳米T i O。一S n O。复合材料粉体的表征图1 是纳米复合材料粉体的S E M 图像纳米材料颗粒粒径为1 7 0n m，有团聚现象，形状较规则，呈球状收稿日期：2 0 1 0 0 1 2 6基金项目：湖北省自然科学基金(2 0 0 7 A B A l 5 2)，湖北省教育厅基金(Q 2 0 0 8 1 5 0 3)作者简介

7、：付萍(1 9 7 5 一)，女，湖北武汉人，讲师。硕士研究方向：功能材料的制备和应用万方数据7 2武汉工程大学学报第3 2 卷图1T i 0 2 一S n 0 2 复合材料的S E M 照片F i g 1S E Mp h o t o g r a p ho fT i 0 2 一S n 0 2c o m p o s i t en a n om a t e r i a l s2 2 气敏元件空气电阻一温度关系曲线图2 是T i O：一S n O。纳米复合材料气敏元件的空气电阻随加热温度变化的曲线图2 表明，气敏元件的空气电阻在无光照和紫外光照下均随温度的升高而降低无光照时，A g+的引入使元件的电

8、阻下降较快，由1 2 0 的3 9 8k 1 3 下降到3 2 0 的6 3k Q，表明适量的A g+掺杂可提高元件的导电性；紫外光照下，T i 0 2 一S n 0。基元件和T i 0 2-S n 0 2-A g+基元件的电阻较无光照时下降得更快，T i 0 2-S n O。一A g+基元件的电阻由1 2 0 的1 2 6k i 2 下降到3 2 0 的1 3k Q 根据气敏传感的机理，气敏元件电阻的改变是电子热激发过程和表面反应过程共同作用的结果 9 1 适量的A g+掺杂可使T i O：和S n O：的禁带宽度变窄 1 引，禁带越窄，电子越容易受热激发到达导带，所需的能量也越小，导带较未

9、掺杂具有更强的捕获电子能力，从而加速了电子在导带与价带间的运动，提高了元件的导电性另外，T i 0。和S n 0 2 的禁带宽度分别为3 2e V 和3 8e V，当用波长为3 1 3n m 的紫外光照射气敏元件时，T i O：和S n O。半导体受高能量的光子激发，产生电子一空穴对，这些光生载流子有利于半导体电导率的提高，使气敏元件电阻下降工作温度。C圈2 气敏元件在空气中电阻一温度曲线F i g 2O p e r a t i o nt e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo fr e s i s t a n c eo fg a ss e n s o

10、r si na i r注：l g R 为电阻的对数值2 3 不同工作温度下气敏元件的气敏特性图3 是无光照和紫外光照下气敏元件对甲醇和乙醇气体的灵敏度随工作温度变化的曲线(测试气体浓度均为2 6 8 1 0 一m o l L)实验结果表明，无光照时，T i 0 2 一S n 0 2 基元件和T i 0 2-S n 0 2 一A g+基元件对甲醇和乙醇气体的灵敏度均随温度的升高而增加，表现出较好的线性关系，元件对乙醇具有更高的灵敏度，T i O。一S n O z A g+基元件在3 2 0 时对乙醇的灵敏度为5 2，表现出一定的气体选择性紫外光照下，两种元件的灵敏度均高于无光照时的值，且随温度升

11、高到一定值后开始下降，对甲醇下降温度为2 8 0，乙醇为2 4 0 其中T i O。一S n 0 2 一A g+基元件对两种醇类气体的灵敏性最高，在2 8 0 对甲醇的灵敏度为4 2 5，在2 4 0 对乙醇的灵敏度为6 2，是无光照时T i 0 2 一S n 0 2-A g+基元件的1 5 倍，T i 0 2-S n 0 2 基元件的1 7 倍可见紫外光照可以提高元件的气敏性，使元件在较低温度下获得较高的灵敏度，但是当温度升高到一定值时，光照对元件灵敏度的影响减弱工作温度o c(a)甲醇工作温度，(b)乙醇圈3 气敏元件的灵敏度一温度曲线F i g 3S e n s i t i v i t

12、yc u r v e so fg a ss e n s o r sa l o n go p e r a t i o nt e m p e r a t u r e2 4 不同浓度下气敏元件的气敏特性从图3 的分析可知，两种气敏元件分别在2 8 0 1 2(对甲醇)和2 4 0(对乙醇)表现出最佳的气敏工作温度，因此选择2 8 0 和2 4 0 作为工作温度，研究紫外光照下，气敏元件对甲醇、乙醇气体浓度的气敏特性，结果如图4 所示万方数据第7 期付萍，等：A g+掺杂T i O：一S n O：基纳米复合材料气敏性能7 3魁滔I 喊甲醇浓度x1 0“(m o l L)乙醇浓度x1 0 (t o o

13、l L)(b)乙融2 4 0 J5图4 气敏元件的灵敏度一浓度曲线F i g 4S e n s i t i v i t yc u r v e so fg a ss e n s o r sw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n由图4 可以看出，紫外光照下两种元件的灵敏度均高于无光照时的数值，且随气体浓度的增大而增加，其中T i O：-S n O。一A g+基元件表现出最高的灵敏性，在乙醇浓度为4 5X1 0 一m o l I。时灵敏度为2 6 5，是无光照时的2 8 倍3紫外光照下A g+掺杂对气敏性能影响的分析和讨论金属氧化物气敏传感

14、器的工作原理，利用了气体吸附在半导体表面、与半导体表面反应引起的电导变化 1 1 1 对于T i O：S n O：复合体系，T i 0 2与S n O：有不同的导带和价带能级在紫外光波的照射下，T i O。和S n O。中价带电子激发跃迁到导带，S n O：因导带位置低于T i O z，从而起到富集电子的储库作用，而T i O。的价带位置高于S n O z，T i O：起到了富集空穴的储库作用这种耦合体系使光生电荷得到有效分离，降低了电子和空穴的复合几率，光生载流子在内建电场作用下迁移到表面，与表面态或吸附在表面的气体分子发生复合，降低界面势垒和减小耗尽层宽度，增大载流子输运时对势垒的隧穿概率

15、，从而增加了电导，电阻变化率更大，使得检测气体灵敏度得到提高对于T i O：一S n 0 2-A g+体系，A g 的费米能级位于T i O z和S n O：导带之间，光激发到T i 0：导带上的电子既可以迁移到S n O。导带上，也可以迁移到A g 费米能级上，相比于T i O z S n 0 2 体系，多出一个富集电子的储库，延长电子和空穴的寿命，抑制了复合，使单位时间单位体积的光生电子和空穴的数量增多载流子传递到界面发生氧化还原的机会也随之增多因此实验中T i 0 2-S n O Z-A g 十基元件在紫外光照下表现出更高的气敏性另外，两种元件光照下当温度上升到一定值时灵敏度随温度的升高

16、而下降，表明在较高温度下，光照不再对灵敏度产生重要影响，主要是工作温度升高时，材料表面吸附氧减少，光生空穴与吸附氧发生反应减弱，因此削弱了光辐射产生的激活效应4结语采用S o l g e l 法制备了T i 0 2-S n 0 2(S n：T i=7t1)纳米复合材料，以其为基底进行A g+掺杂制备的气敏元件在3 1 3n l T l 紫外光照下气敏性高于相同条件下无光照时的灵敏度T i 0：一S n 0 2 一A g+基元件在紫外光照下对甲醇的最佳工作温度为2 8 0，灵敏度为4 2 5；对乙醇的最佳工作温度为2 4 0，灵敏度为6 2 参考文献：E 1 3L e eDS，J u n gJK

17、，L i r aJW R e c o g n i t i o no fv o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d su s i n gS n O zs e n s o ra r r a ya n d dp a t t e r nr e c o g n i t i o na n a l y s i s J S e n s o r sa n dA c t u a t o r sB，2 0 0 1，7 7：2 2 8 2 3 6 E 2 3T a u r i n oAM，C a p o n eS，S i c i l i a n oP，e ta 1 N a

18、n o s t r u c t u r e dT i 0 2t h i nf i l m sp r e p a r e db ys u p e r s o n i cb e a m sa n dt h e i ra p p l i c a t i o ni nas e n s o ra r r a yf o rt h ed i s c r i m i n a t i o no fv o c E J 3 S e n s o r sa n dA c t u a t o r sB，2 0 0 3，9 2：2 9 2 3 0 2 3 3 李朝林，秋菊S n O：一Z n O 复合膜特性研究F J 传感

19、器技术，2 0 0 5，2 4(1 0)：2 6 2 8 4 3 洪求三，傅刚，陈环，等A g 掺杂的S n O z 酒敏薄膜敏感特性研究l-J 传感器与微系统，2 0 0 7，2 6(4)：1 1 1 3 5 3 戴振清，孙以材，潘国峰，等金属氧化物掺杂对T i O。气敏特性的影响 J 传感器世界，2 0 0 3(9)：1 0 一1 4 6 3C o m i n iE，F a g l i aG，S b e r v e g l i e r iG U Vl i g h ta c t i v a t i o no ft i no x i d et h i nf i l m sf o rN 0 2s

20、 e n s i n ga tl o wt e m p e r a t u r e s J S e n s o r sa n dA c t u a t o r sB，2 0 0 1，7 8：7 3 7 7 7 3A n o t h a i n a r tK，B u r g m a i rM，K a r t h i g e y a nA，e ta 1 L i g h te n h a n c e dN 0 2g a ss e n s i n gw i t ht i no x i d ea tr o o mt e m p e r a t u r e：c o n d u c t a n c ea n

21、 d，w o r kf u n c t i o n m e a s u r e m e n t s J S e n s o r sa n dA c t u a t o r sB，2 0 0 3，9 3：5 8 0 5 8 4(下转第1 1 0 页)万方数据1 1 0武汉工程大学学报第3 2 卷 6 7 书出版公司北京公司，2 0 0 6：6 2 6 3 王顺金，周善贵，P a u l iHC D i r a c 粒子的正一反粒子自由度和正一反粒子量子数F J 原子核物理评论，2 0 0 4，2 1(4)：2 9 4 2 9 7 张一方量子力学和相对论的结合，不相容及发展 J 云南大学学报：自然

22、科学版，2 0 0 8，3 0(1)：4 1 4 6 8 W e i n b e r gS T h eQ u a n t u mT h e o r yo fF i e l d s：V 0 1 1 M 北京：世界图书出版公司北京公司，2 0 0 4：2 1 9 2 2 4 9 N iGJ，G u a nH。Z h o uWM，e ta 1 A n t i p a r t i c l ei nt h eL i g h to fE i n s t e i n-P o d o l s k y-R o s e nP a r a d o xa n dK l e i nP a r a d o xF J C

23、h i n e s eP h y sL e t t，2 0 0 0，1 7(6)：3 9 3 3 9 5 T h en e ws c h e m ef o rs o l v i n gr e l a t i v i s t i cq u a n t u mm e c h a n i c se q u a t i o n sL I UY a。c h a o L JM i n g(D e p a r t m e n to fA p p l i e dP h y s i c s，X i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y，X i a n7 1 0

24、 0 4 8，C h i n a)A b s t r a c t：T h en e wc o n c e p to ft h ep a r t i c l e-a n t i p a r t i c l ei n d e xi si n t r o d u c e di n t or e l a t i v i s t i cq u a n t u mm e c h a n i c s An e ws c h e m ef o rs o l v i n gr e l a t i v i s t i cq u a n t u mm e c h a n i c se q u a t i o n s

25、i sp r e s e n t e d T h eD i r a ce q u a t i o ni sr e s o l v e du n d e rt h en e ws c h e m e：a n dt h ed i f f i c u l t ya b o u tn e g a t i v ee n e r g yi sc l e a r e du p T h ew a v e f u n c t i o n so ff r e es p i n o rp a r t i c l ea n da n t i p a r t i c l ec o i n c i d e dw i t

26、hq u a n t u mf i e l dT h e o r yi so b t a i n e dd i r e c t l y A tl a s tt h ee n e r g ya n dm o m e n t u mo p e r a t o r so fa n t i p a r t i c l earer e d e f i n e d K e yw o r d s：t h ep a r t i c l e a n t i p a r t i c l ei n d e x；r e l a t i v i s t i q u a n t u mm e c h a n i c s；

27、n e g a t i v ee n e r g y；t h en e g a t i v ee n e r g ys o l u t i o n本文编辑：龚晓宁(上接第7 3 页)8 F 9 桂阳海，张勇，王焕新。等气敏元件室温光激发气敏性能研究 J 电子元件与材料，2 0 0 8，2 7(2)：1 3 1 6 高晓光，李建平，何秀丽，等S i 基膜片型气敏传感器微结构单元的热学性能 J 微细加工技术，2 0 0 2(1)：5 0 一5 3。5 9 1 0 1 1 曾文，林志东，高俊杰金属离子掺杂纳米S n O z 材料的气敏性能及掺杂机理F J 纳米技术与精密工程，2 0 0 8，6(3)

28、：1 7 4 1 7 8 徐毓龙金属氧化物气敏传感器r J 传感技术学报，1 9 9 6(3)：7 2 78 S t u d yo fg a s-s e n s i n gp r o p e r t i e so fA g+-d o p e dT i 0 2-S n 0 2c o m p o s i t en a n om a t e r i a l sF【，P i n g。L I NZ h i-d o n g(S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g，W u h a nI n s t i t

29、u t eo fT e c h n o l o g y，W u h a n4 3 0 0 7 4，C h i n a)A b s t r a c t：T i 0 2a n dS n 0 2c o m p o s i t en a n om a t e r i a l sw e r ep r e p a r e db ys o l g e la n dd o p e db yA g 十，t h e nw e r em a d ea st h eh e a t e r t y p eg a ss e n s o r s T h eg a s s e n s i n gp r o p e r t i

30、 e so fg a ss e n s o r st ov o l a t i l eo r g a n i cg a s e s(V O C s)s u c ha sm e t h a n o la n de t h a n 0 1w i t h o u tl i g h ti r r a d i a t i o na n du n d e r313n mU h r a v i o l e tL i g h tw e r es t u d i e dr e s p e c t i v e l y T h er e s u l t ss h o wt h a tU Vi r r a d i a

31、 t i o nc a ne v i d e n t l yr a i s ec o n d u c t i v i t yo fs e m i c o n d u c t o ra n di r e p r o v et h es e n s i t i v i t y T h es e n s i t i v i t yf o re t h a n o lr e a c h6 2a t2 4 0 w h i c hi S1 5t i m e so ft h ev a l u em e a s u r e dw i t h o u tl i g h ti r r a d i a t i o

32、n A n dt h es e n s i t i v i t yi S2 6 5f o r4 5 1 0-6m o l Le t h a n o lu n d e rU Vw h i l en ol i g h ti r r a d i a t i o nt h ev a l u ei so n l y9 5 K e yw o r d s T i 0 2；S n 0 2；A g：+-d o p e d；u l t r a v i o l e tl i g h t；g a ss e n s i t i v i t y本文编辑：龚晓宁万方数据Ag+掺杂TiO2-SnO2基纳米复合材料气敏性能Ag

33、+掺杂TiO2-SnO2基纳米复合材料气敏性能作者：付萍，林志东，FU Ping，LIN Zhi-dong作者单位：武汉工程大学材料科学与工程学院,湖北,武汉,430074刊名：武汉工程大学学报英文刊名：JOURNAL OF WUHAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY年，卷(期)：2010,32(7)参考文献(11条)参考文献(11条)1.Lee D S;Jung J K;Lim J W Recognition of volatile organic compounds using SnO2 sensor array andpattern recognition analysi

34、s 20012.徐毓龙 金属氧化物气敏传感器期刊论文-传感技术学报 1996(03)3.曾文;林志东;高俊杰 金属离子掺杂纳米SnO2材料的气敏性能及掺杂机理期刊论文-纳米技术与精密工程2008(03)4.高晓光;李建平;何秀丽 Si基膜片型气敏传感器微结构单元的热学性能期刊论文-微细加工技术 2002(01)5.桂阳海;张勇;王焕新 气敏元件室温光激发气敏性能研究期刊论文-电子元件与材料 2008(02)6.Anothainart K;Burgmair M;Karthigeyan A Light enhanced NO2 gas sensing with tin oxide at roomt

35、emperature:conductance and work functionmeasurements 20037.Comini E;Faglia G;Sberveglieri G UV light activation of tin oxide thin films for NO2 sensing atlow temperatures 20018.戴振清;孙以材;潘国峰 金属氧化物掺杂对TiO2气敏特性的影响 2003(09)9.洪求三;傅刚;陈环 Ag掺杂的SnO2酒敏薄膜敏感特性研究期刊论文-传感器与微系统 2007(04)10.李朝林;秋菊 SnO2-ZnO复合膜特性研究期刊论文-传感器技术 2005(10)11.Taurino A M;Capone S;Siciliano P Nanostructured TiO2 thin films prepared by supersonic beams andtheir application in a sensor array for the discrimination of VOC 2003 本文链接：http:/