半导体ZnSnO3气敏材料制备及其性能研究

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半导体金属氧化物ZnSnO3是一种性能优异的气敏材料,探索其合成和制备工艺,对进一步深刻了解晶体的形核进程和孕育机理有着十分重要的意义。在传感器范畴,对其气敏特征进行研究以及改进,寻求气敏特性与组分、形貌和结构之间的关系,同样也具备重要意义。目前,各种形貌和尺寸的ZnSnO3材料均有报道,例如,正八面体、十四面体、立方体、空心球体、纳米骨架、纳米框架、空心八面体、分级树枝结构等。如何应用成本低廉的方法制备出结构、尺寸均一的锡酸锌成为一个研究热题,亦是敏感材料改善气敏性质的一个研究热点。在本文中,用湿化学法在不同温度环境下制备出多种形貌的半导体金属氧化物ZnSnO3,并以它为研究对象,进行进一步的探索研究,随后的水热法制备了Ag掺杂的层片状ZnSnO3结构,研究了未掺杂和掺杂Ag的层片状ZnSnO3纳米材料的敏感特性,并对ZnSnO3纳米材料的制备、表征、形成机理和气敏特性等方面进行了深入的探讨,得到了有启发意义的结论。研究结果显示,利用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)辅助的水热合成法制备了多种形貌的ZnSnO3纳米结构,包括简单立方结构、层片状结构、14面体结构等,结构的边长在几十纳米到几百纳米之间。利用旁热式气敏传感器对制备出的特殊形貌的锡酸锌产物进行酒敏测试,均表现出气敏特性。结果显示,最佳工作温度是260℃,并且在此工作温度下,简单块状结构的ZnSnO3对10、20、30、40和50ppm乙醇的灵敏度分别达到1.3、1.39、1.5、1.85和2.2;层片结构ZnSnO3产物对10、20、30、40和50ppm乙醇的灵敏度分别达到1.85、2.23、3.2、3.6和4.68;14面体结构ZnSnO3产物在10、20、30、40和50ppm乙醇的灵敏度分别达到1.75、2.2、3.14、3.51和4.47。采用水热法掺杂Ag的层片状ZnSnO3结构,与不掺杂Ag的层片状ZnSnO3结构相比,发生明显的变化,表面有大量银纳米颗粒沉积。对乙醇表现出良好的选择性和灵敏度。Ag掺杂的层片状ZnSnO3样本对于乙醇气体具有优良的响应和重复性,对于10、20、30、40和50ppm的乙醇气体,其灵敏度分别达到5.18、7.77、14.03、19.74和26.07,响应和恢复时间分别约为25和5s。
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