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气体传感器性能优化策略

时间:2023-06-30 理论教育 版权反馈
【摘要】:图3.2.10采用ZnO 颗粒、ZnO 微球和4%Y 掺杂的ZnO 微球制成的气敏传感器在不同的工作温度下的响应恢复时间曲线为了对Y 掺杂的ZnO 微球进行更加深入的研究,我们在它的最佳工作温度300 ℃下对它进行了一系列的气敏性能检测,如图3.2.11 所示。图3.2.11为Y 掺杂的ZnO 微球对5×10-5 HCHO 气体的循环测试,我们发现它的响应恢复特征几乎没有发生任何衰减或者改变,这表明Y 掺杂后的ZnO 微球传感器的循环稳定性能较好。图3.2.11对Y 掺杂的ZnO 微球进行的气敏性能检测

气体传感器性能优化策略

图3.2.9 为所制备ZnO 样品在不同的温度下对5×10-5 甲醛气体的灵敏度。从图中可以看出空心多孔ZnO 微球在350 ℃的工作温度下具有最高的灵敏度47.4,远高于在相同条件下的ZnO 颗粒的灵敏度,这表明形貌对气敏性能是有显著影响的。更重要的是,当将ZnO 微球掺杂Y 后它的气敏性能得到了显著的提高,当Y 的掺杂量达到4%时,它的气敏性能达到了最高值为65.7。而进一步增加Y 的掺杂量则会降低其灵敏度。掺杂Y 后,降低了该ZnO 微球的最佳工作温度,从350 ℃降低到300 ℃。掺杂Y 元素对样品气敏性能的提高能用以下机理来解释。当ZnO 微球在空气中时,空气中的氧分子吸附于ZnO 的表面并从ZnO 的导带中俘获电子形成了化学吸附氧。这个过程形成了表面电子耗尽层,增加了样品的电阻,当将样品置于甲醛气体中时,甲醛就与吸附在样品表面的吸附氧发生如下化学反应

在这个化学反应里,将俘获的电子释放到ZnO 的导带中,从而又使ZnO 半导体中的载流子浓度升高。而Y 元素的引入则增加了ZnO 晶体表面的氧空位浓度,使吸附氧浓度升高提高了气敏性能。另一方面,掺杂Y 后使ZnO 的工作温度降低是因为形成了弱键结合的ZnYmOn 复合氧化物。化学吸附氧的吸附是与本体材料和温度密切相关的,在较低的温度时,氧是以氧分子的形式吸附在材料表面的,在较高温度时才以化学吸附氧的形式吸附在材料表面。而通常在室温下,在ZnO 的表面很难发生氧吸附和电子转移,只有在一定的温度下才能在它的表面发生化学吸附反应。当将Y 元素掺杂进ZnO 之后,在ZnO 的晶界处形成了这种弱键结合的ZnYmOn 复合氧化物,由于该复合氧化物的导电性能良好,在较低的温度下就可以与空气中的氧气发生表面化学吸附反应,因此促进了化学吸附氧的生成。这样,由于溢出效应,Y 元素就进一步促进了甲醛与吸附氧的反应,降低了工作温度。

图3.2.9 用未掺杂Y 的ZnO 纳米颗粒、ZnO 微球和Y 掺杂的ZnO 微球制成的气敏传感器对5×10-5甲醛气体在200 ~500 ℃温度下的灵敏度

图3.2.10 为采用ZnO 颗粒、ZnO 微球和4%Y 掺杂的ZnO 微球制成的气敏传感器在不同的工作温度下的响应恢复时间曲线,我们选择了5×10-5共6 种不同的有机气体进行了检测,分别是CH4,NH3,HCHO,CH3OH,CO 和C2H5OH。当这些还原性气体接触到传感器表面时,电阻的电压上升得很快,当这些气体排出时,电压又迅速地恢复到原始状态。值得注意的是,4%Y 掺杂的ZnO 微球的电压改变是非常显著的,并且掺杂后的ZnO 微球对HCHO 气体具有最短的响应恢复时间[图3.2.9(a)—(c)]。经过分析,普通ZnO 纳米颗粒和未掺杂的ZnO 微球的响应恢复时间分别为(14 s、17 s)、(10 s、12 s),远高于Y 掺杂的ZnO 微球(4 s、6 s)[图3.2.10(d)]。(www.xing528.com)

图3.2.10 采用ZnO 颗粒、ZnO 微球和4%Y 掺杂的ZnO 微球制成的气敏传感器在不同的工作温度下的响应恢复时间曲线

为了对Y 掺杂的ZnO 微球进行更加深入的研究,我们在它的最佳工作温度300 ℃下对它进行了一系列的气敏性能检测,如图3.2.11 所示。从图中可以看出,随着检测气体浓度的升高,传感器的灵敏度也迅速地提高,而当气体的浓度超过25×10-5 时,灵敏度的增加逐渐变得缓慢,当气体浓度增加到8×10-4 时,这时候传感器的灵敏度达到了饱和,几乎不再升高[图3.2.10(a)]。有趣的是,当气体浓度在0 ~1×10-4 时,随着气体浓度的增加,灵敏度几乎呈直线式上升[插图3.2.11(a)],表明Y 掺杂的ZnO 微球能够检测较低的HCHO 气体浓度。

图3.2.11(b)为Y 掺杂的ZnO 微球在300 ℃的工作温度下对5×10-5这6 种有机气体的灵敏度,从图中可以看出Y 掺杂的ZnO 微球对甲醛的灵敏度最高为65.7,而对其他气体的灵敏度不超过16,这表明用Y 掺杂的ZnO 微球能够选择性地检测HCHO 气体。这是由于甲醛是一种单醛基的气体分子,在检测的气体中具有较好的还原性,掺杂进ZnO 的不饱和Y 离子就会选择性地吸附这些HCHO 分子,形成Y-HCHO 复杂分子,同时吸附在ZnO 表面的吸附氧进一步将HCHO 氧化成了H2O 和CO2,从而使掺杂Y 后对HCHO 具有较好选择性。图3.2.11(c)为Y 掺杂的ZnO 微球在300 ℃的工作温度时对不同浓度的HCHO 气体的响应恢复时间,可以看出随着浓度的变化,该传感器的灵敏度随之升高,并且其响应恢复时间几乎没有发生改变,都基本稳定在4 s 和6 s。图3.2.11(d)为Y 掺杂的ZnO 微球对5×10-5 HCHO 气体的循环测试,我们发现它的响应恢复特征几乎没有发生任何衰减或者改变,这表明Y 掺杂后的ZnO 微球传感器的循环稳定性能较好。

图3.2.11 对Y 掺杂的ZnO 微球进行的气敏性能检测

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