稀土元素金属氧化物半导体制备及气敏性能研究.pdf

摘要

摘要

关于环境质量的检测以及环境污染的净化备受人们关注。我国对于生存环境

中各类污染物的检测和防治，颁布了一系列相关政策，提供了诸多检测办法和治理

措施。有害气体污染的检测和防治是我国处理环境污染工作中的重中之重。因此，

迫切需要对生活和工作的室内外场景进行有害气体检测分析，以此来保障人们在

安全环境下生产生活。挥发性有机化合物(VOCs)是诸多有害气体的主要一类。现

阶段，室内和室外的VOCs检测技术不断升级，检测方法不断更新。具有灵敏度

高、选择性可调、可靠性好、全固态、测试电路简单及元件尺寸小的半导体式气体

传感器在检测环境VOCs方面展现出巨大优势。半导体式气体传感器高效检测气

体的关键是其涂敷的气敏材料。为解决气体传感器仍存在的选择性差、响应低、气

体吸脱附时间长以及稳定重复性差等问题，研发高效的新型气体传感材料迫在眉

睫。在本论文研究工作中，结合表征技术分析了所制备稀土元素多元金属氧化物材

料的微观结构和物化性质。基于传感器的各项气敏性能指标，对气体传感器的传感

机制进行讨论。具体研究工作如下：

1.通过对所配置溶液进行PH调节改性，利用水热反应加以高温辅助煅烧的实

验制备方法，成功制备HoFeO3材料。HoFeO3材料的晶体结构、化学成分、微观

形貌、晶格间距以及元素价态等信息采用现代表征技术手段分析。表征结果表明所

制备的HoFeO3材料为正交钙钛矿型的多晶结构。形貌为比表面积较大的粗糙微米

球体，这有利于目标气体和材料表面的化学反应。各元素分布均匀，不含有其他杂

质。通过系统性气敏性能测试，基于HoFeO3微球材料的气体传感器在最佳工作温

度下对100ppm乙醇气体表现出最佳响应(33)，响应/恢复时间(11s/12s)优于其他

同类钙钛矿型气体传感器。因此，基于HoFeO3的乙醇传感器具有良好的应用前景。

2.通过一步水热法制备SmVO4气敏材料，为使材料更好结晶采用退火处理，

最终得到SmVO4八面体纳米颗粒。XRD结果表明，所制备的SmVO4材料特征峰

尖锐，结晶度高，无杂质。SEM、TEM和HRTEM表征证实，SmVO4八面体纳米

颗粒聚在一起形成了类似于石榴籽簇状结构的形貌，其内部空间存在间隙，有利于

目标气体分子的快速进出和化学反应的发生。利用XPS分析材料表面价态和分子

结构，材料中含有微量V4+存在，这有助于材料表面氧化还原反应的发生。经过系

统性气敏测试分析性能，SmVO4气体传感器在最佳工作温度下，对三乙胺响应值

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摘要

是其他VOCs响应值三倍以上，证实传感器具备卓越选择性。与其他三乙胺传感

器相比，SmVO气体传感器的响应/恢复时间更短。另外值得注意的是，SmVO传

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感器具备较低测试下限，对1ppm的三乙胺仍具有2.45的响应值。由此可见，

SmVO传感器可以作为检测低浓度三乙胺的优良传感器。

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关键词：半导体；水热法；气体传感器；氧化还原反应

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目录

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摘要I

第1章绪论1

1.1引言1

1.2气体传感器概述2

1.2.1气体传感器分类2

1.2.2气敏材料制备方法3

1.2.3半导体式气体传感器性能评价指标4

1.2.4气敏材料的表征方法6