In2O3納米粉體的不同制備方法及其氣敏性能的研究畢業(yè)論文

1、inin2 2oo3 3納米粉體的不同制備方法及其氣敏性能的研究納米粉體的不同制備方法及其氣敏性能的研究 摘 要 以 in(no3)34.5h2o 為原料，采用室溫固相合成法、溶劑熱法、微乳液法、 溶膠凝膠法、化學(xué)共沉淀法、均勻沉淀法等六種不同方法制備 in2o3納米粉體，并對(duì)其氣 敏機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。通過 x-射線衍射分析（xrd）手段對(duì)粉體物相進(jìn)行表征，計(jì)算粉 體粒徑，結(jié)果表明以上六種方法得到的 in2o3粉體粒徑分別為 9.89nm、23.07nm、22.69nm、14.74nm、9.30nm、22.38nm。采用靜態(tài)配氣法測(cè)定材料的 氣敏性能發(fā)現(xiàn)所得粉體均對(duì) cl2 具有良好的氣敏性能

2、。以均勻沉淀法制備的 in2o3為基體 的氣敏元件性能最佳，在 110的工作溫度下對(duì) 100ppm cl2氣體的靈敏度高達(dá) 1175，并 且具有良好的選擇性，響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間短等特性。最后對(duì) in2o3納米材料進(jìn)行展望。 關(guān)鍵詞 in2o3；納米粉體；制備；氣敏性能 gas-sensing properties of nanostructured in2o3 powderbased sensor synthesized with different methods abstract.this paper introduces several methods of the preparation o

3、f in2o3 nano-powder with in (no3) 3 4.5h2o as raw materials, including solid-phase synthesis at room temperature, solvothermal method, microemulsion method, sol-gel method, chemical co-precipitation method, homogeneous-precipitation method; and a brief analysis of gas-sensing mechanism was done. its

4、 phase was analyzed by xrd. the calculation shows that particle size of in2o3 nano-powder prepared by the six methods were 9.89nm, 23.07nm, 22.69nm, 14.74nm, 9.30nm, 22.38nm. the gas-sensing properties of the materials were tested in static state. the results show that the in2o3 nano-powder has high

5、 sensitivity to cl2. in2o3 nano-powder prepared by homogeneous- precipitation method has a high sensitivity as high as 1175 to 100ppm cl2 at lower working temperature 110. the sensor based on in2o3 also has satisfactory selectivity, quickly response and short recover time. finally, the prospect of i

6、n2o3 nano-materials was foreseen. keywords.in2o3; nano-powder; preparation; gas-sensing properties 目 錄 摘 要： .i abstract .ii 前 言 .1 1 實(shí)驗(yàn)部分.2 1.1 試劑與儀器 .2 1.2 實(shí)驗(yàn)方法.2 1.2.1 室溫固相合成法 2 1.2.2 溶劑熱法.2 1.2.3 微乳液法.3 1.2.4 溶膠凝膠法.3 1.2.5 化學(xué)共沉淀法 .3 1.2.6 均勻沉淀法.3 2 氣敏元件的制備，老化及測(cè)試.3 2.1 氣敏元件的制備及老化 .3 2.2 氣敏元件的測(cè)試 .4

7、 3. 結(jié)果與討論 .5 3.1 樣品的 xrd 測(cè)試.5 3.2 氣敏性能的測(cè)定.6 3.2.1 制備方法對(duì)元件靈敏度的影響 6 3.2.2 加熱溫度對(duì)元件靈敏度的影響 7 3.2.3 氣體濃度對(duì)元件的靈敏度的影響 7 3.2.4 元件的選擇性 8 3.3 氣敏元件的響應(yīng)恢復(fù)特性.9 4 氣敏機(jī)理探討.9 5.結(jié)論與展望 .11 參考文獻(xiàn) .13 致 謝 .15 前前 言言 隨著科技的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中使用的氣體原料及在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣體數(shù)量和種 類越來越多，cl2 、h2s、no2、煤氣、天然氣等多種有毒和可燃?xì)怏w不僅污染環(huán)境，而 且可引起爆炸、火災(zāi)，存在使人中毒的危險(xiǎn)，隨著人們對(duì)健康認(rèn)識(shí)

8、的不斷提高，人們?cè)?日常生活、工業(yè)生產(chǎn)中不斷加強(qiáng)了防范意識(shí)1。近年來，各國研究者在半導(dǎo)體氣敏傳感器 的研究與開發(fā)方面做了大量工作。sno2 、tio2、zno、fe2o3等半導(dǎo)體金屬氧化物作為 氣敏材料已被廣泛使用。目前，半導(dǎo)體氣敏傳感器已發(fā)展成一大體系。 in2o3作為新的 n 型半導(dǎo)體氣敏材料，以其優(yōu)良的氣敏特性, 也已引起研究者的關(guān)注， 在氣敏傳感器的應(yīng)用方面不斷拓展。文獻(xiàn)報(bào)道最早見于 1967 年，我國的研究起步較晚， 最早見于 1995 年，2000 年前后出現(xiàn)較大量的文獻(xiàn)報(bào)道。in2o3與 sno2、zno、fe2o3相 比，具有較寬的禁帶寬度、較小的電阻率和較高的催化活性等特點(diǎn)。

9、in2o3較小的電阻率 可以降低氣敏材料的功耗，因此可以應(yīng)用到可燃?xì)怏w、有毒氣體的檢漏報(bào)警、環(huán)境氣體 的監(jiān)控等領(lǐng)域。由于納米 in2o3具有塊狀材料所不具備的表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小 尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng) 等許多優(yōu)異的性能， 研究開發(fā)相關(guān)材料和器件，以實(shí)現(xiàn) 對(duì)各種有毒、有害氣體的探測(cè)，對(duì)易燃?xì)怏w進(jìn)行報(bào)警，對(duì)大氣污染、工業(yè)廢氣的檢控， 具有十分重要的意義和實(shí)用價(jià)值。in2o3的制備及應(yīng)用成為了近幾年國內(nèi)外科技研究的 熱點(diǎn)之一 2-11。 納米 in2o3粉體的制備方法通常有化學(xué)沉淀法12 、溶膠凝膠法13 、脈沖激光沉積14 法、氣相沉積法15、沉淀法16、室溫固相反應(yīng)法17、電弧放電共

10、沸蒸餾法18、減壓揮 發(fā)氧化法19、熔化霧化燃燒法20、高壓噴霧分解法21、模板法22等。本文采用了 in2o3 納米粉體的幾種簡(jiǎn)便的化學(xué)制備方法，包括室溫固相合成法、溶劑熱法、微乳液法、溶 膠凝膠法、化學(xué)共沉淀法、均勻沉淀法等六種方法，用 xrd 對(duì)材料進(jìn)行表征，計(jì)算表明， 粉體粒徑均在納米范圍。通過氣敏性研究發(fā)現(xiàn)，幾種方法制備的 in2o3納米材料對(duì)氧化性 氣體如 cl2具有較好的氣敏性能并進(jìn)一步分析其敏感機(jī)理。有望進(jìn)一步開發(fā)對(duì)各種氧化性 氣體更加靈敏的 in2o3氣敏元件，以有效防止惡性事件的發(fā)生。 1實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)部分 1.1 試劑與儀器試劑與儀器 實(shí)驗(yàn)試劑 in(no3)34.5h2o

11、 分析純 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 naoh 分析純 天津市化學(xué)試劑三廠 檸檬酸 分析純 天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠 聚乙二醇600 分析純 天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所 無水乙醇 分析純 北京化工廠 氨水 分析純 洛陽市化學(xué)試劑廠 尿素 分析純 天津市科密試劑開發(fā)中心 聚氧乙烯十二烷基醚 正辛烷 正己醇 均為分析純 實(shí)驗(yàn)儀器 電熱鼓風(fēng)干燥箱（天津市中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司） 馬弗爐（上海電機(jī)集團(tuán)實(shí)驗(yàn)電爐廠） 電子天平（梅特勒.托利多儀器有限公司） 氣敏元件測(cè)試系統(tǒng)（河南漢威電子有限公司） d8-x射線衍射儀（德國布魯克公司） kq2200db型數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司） 真空抽濾機(jī)

12、（鞏義市英峪儀器廠） 聚四氟乙烯襯底40ml的反應(yīng)釜 1.2 實(shí)驗(yàn)方法 1.2.1 室溫固相合成法 準(zhǔn)確稱取適量的 in(no3)34.5h2o 和 naoh(摩爾比 1：3) 放入瑪瑙研缽中，充分混 合后研磨 30min，超聲波分散，抽濾，干燥得到前驅(qū)體 in(oh)3.置于馬弗爐中 600煅燒 兩小時(shí)，生成 in2o3粉體。 1.2.2 溶劑熱法 稱取適量的 in(no3)34.5h2o，聚乙二醇 600，無水乙醇，放入燒杯中，攪拌 15min 后轉(zhuǎn)入高壓反應(yīng)釜中，140反應(yīng) 12h，自然冷卻至室溫，抽濾，干燥即得 in2o3粉體。將 粉體三等分，其中兩份分別在 500、600煅燒兩小時(shí)。

13、 1.2.3 微乳液法 準(zhǔn)確量取聚氧乙烯十二烷基醚、正辛烷、正己醇各 2ml，均勻混合，25乳化溫度 下攪拌均勻，滴加 in(no3)3溶液充分乳化。然后在乳化液中滴加氨水，充分?jǐn)嚢瑁命S 色半透明液體。抽濾，干燥。600煅燒兩小時(shí)，研細(xì)即得到 in2o3粉體。 1.2.4 溶膠凝膠法 將 in(no3)34.5h2o 配制成 0.25mol/l 的溶液，加入少量檸檬酸助劑，60恒溫?cái)嚢?下緩慢滴加氨水，至 ph=6 時(shí)形成良好溶膠。80水浴干燥，得到凝膠，120干燥，得 到干凝膠。將其于 600煅燒兩小時(shí)，研細(xì)即得到 in2o3 粉體。 1.2.5 化學(xué)共沉淀法 稱取適量的 in(no3)3

14、4.5h2o，配制成溶液，采用雙滴加料將氨水和 in(no3)3溶液滴 入盛有一定量去離子水并 60恒溫的燒瓶中，維持 ph=8，持續(xù)攪拌至完全形成白色的 in(oh)3膠狀沉淀。靜置陳化，超聲分散，抽濾，干燥。600煅燒兩小時(shí)即得 in2o3粉體。 1.2.6 均勻沉淀法 將 in(no3)34.5h2o 配制成一定濃度的溶液，70恒溫。用尿素作沉淀劑，攪拌下 滴加 70左右的尿素溶液，維持 ph=8，至生成 in(oh)3白色沉淀。靜置陳化，抽濾，干 燥。600煅燒兩小時(shí)即得 in2o3粉體。 2 氣敏元件的制備，老化及測(cè)試23 2.1 氣敏元件的制備及老化 取適量6002h條件下煅燒的不

15、同方法制備的納米in2o3粉體，分別加入適量的松樹 油粘合劑，充分研磨均勻，涂敷到纏繞鉑絲電極的陶瓷管表面，600oc條件下，熱處理 2h。然后陶瓷管中放置加熱用的鎳鉻絲，制成旁熱式氣敏元件。為了防止涂敷的不均勻 等原因影響氣敏性能的測(cè)定，每種樣品涂制兩個(gè)氣敏元件。圖1所示為元件的結(jié)構(gòu)示意圖： 圖 1 元件結(jié)構(gòu)示意圖 為了提高元件的穩(wěn)定性，將元件進(jìn)行老化處理，即將氣敏元件在 300條件下，于老化臺(tái) 上老化 240h。 2.2 氣敏元件的測(cè)試 氣敏性能測(cè)試在在hwc-30a漢威元件測(cè)試系統(tǒng)上完成。該系統(tǒng)采用靜態(tài)配氣法， 通過測(cè)試氣敏元件串聯(lián)的負(fù)載電阻上的電壓來反映氣敏元件的敏感特性，元件的加熱電

16、 壓可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，負(fù)載電阻為可換插卡式。負(fù)載電阻與虛擬電阻應(yīng)相等。以空氣 為稀釋氣體配置不同濃度的待測(cè)氣體，測(cè)試樣品對(duì)這些氣體的靈敏度?；驹硎牵禾?供氣敏元件加熱電源vh，回路電源vc，通過測(cè)試氣敏元件串聯(lián)的負(fù)載電阻rl上的電壓 vout來反映氣敏元件的特性。元件的靈敏度分別用s=ra/rg（還原性氣體）和s= rg /ra（氧化性氣體）表示，其中ra、rg 分別為元件在空氣中和在被測(cè)氣體中的電阻值。 圖2 氣敏元件的測(cè)試系統(tǒng)原理圖 3.3. 結(jié)果與討論結(jié)果與討論 3.1 樣品的樣品的 xrd 測(cè)試測(cè)試 圖 3 樣品的 xrd 圖譜分析（1 室溫固相合成法；2 化學(xué)共沉淀法；3 均勻

17、沉淀法；4 溶膠凝膠法；5 溶劑熱法；6 微乳液法） 圖 3 為樣品的 xrd 圖譜。如圖所示，六種方法制備的粉體均為 in2o3。由室溫固相 合成法、化學(xué)沉淀法和溶膠凝膠法制備的 in2o3納米材料的 xrd 圖譜均與標(biāo)準(zhǔn)圖譜卡號(hào) jcpds pdf 06-0415幾乎相符。而均勻沉淀法、溶劑熱法和微乳液法制備的 in2o3納米材 料的 xrd 圖譜與標(biāo)準(zhǔn)圖譜相比，僅存在峰的偏移，但偏移小于 1。有圖譜可知均勻沉淀 法、溶膠凝膠法、溶劑熱法、微乳液法制得的粉體峰形尖銳，結(jié)晶較完善。室溫固相合成 法、化學(xué)共沉淀法所得峰形較寬，粒徑小，結(jié)晶不夠完善。xrd 圖譜同時(shí)表明用溶劑熱 法可以一步合成

18、in2o3納米粉體。本實(shí)驗(yàn)測(cè)定未煅燒、經(jīng)過 500oc 煅燒、600oc 煅燒的 in2o3粉體粒徑分別為 11.31nm、13.07nm、23.07nm，結(jié)果表明粉體粒徑隨煅燒溫度的增 加逐漸大。由 scherrer 公式 d= k/cos 計(jì)算可知，六種樣品的粒徑分別為 9.89nm、9.30nm、22.38nm、14.74nm、23.07nm、22.69nm。 scherrer 公式中 d 表示晶粒 在垂直于(hkl)晶面方向的平均厚度； 為射線波長(zhǎng)； 為 bragg 角（半衍射角）； 為衍 射線的本征加寬度，用衍射峰極大值一半處的寬度表示，單位為弧度。 3.2 氣敏性能的測(cè)定 3.2.

19、1 制備方法對(duì)元件靈敏度的影響 0 200 400 600 800 1000 1200 靈敏度 制備方法 均勻沉淀法 固相合成法 溶劑熱法 微乳液法 化學(xué)沉淀法 溶膠凝膠法 圖 4 元件靈敏度與制備方法的關(guān)系（1 溶劑熱法； 2 室溫固相合成法；3 微乳液法；4 溶膠凝膠法；5 均勻沉淀法；6 化學(xué)共沉淀法） 圖 4 為不同方法制備的 in2o3粉體制得的氣敏元件在 110工作溫度下對(duì) 100ppmcl2 的靈敏度關(guān)系曲線。如圖所示，室溫固相合成法、溶劑熱法、微乳液法、溶膠凝膠法、 化學(xué)共沉淀法、均勻沉淀法制備的粉體對(duì) 100ppmcl2靈敏度分別為 51.315、1.532、1.654、15

20、.624、1175.491、186.562。結(jié)果表明用均勻沉淀法所得的 in2o3 元件對(duì) cl2的靈敏度最高，可達(dá) 1175，化學(xué)沉淀法所得的 in2o3元件 cl2靈敏度也較高， 達(dá)到 174。而溶膠凝膠法、溶劑熱法、微乳液法制備的元件在此條件下靈敏度相對(duì)較低， 分別為 11.136、3.511、1。該結(jié)果除與制備方法有關(guān)，實(shí)驗(yàn)條件的控制、元件的制備過程 等因素也是影響靈敏度數(shù)據(jù)的因素。 3.2.2 加熱溫度對(duì)元件靈敏度的影響 圖5 元件靈敏度與加熱溫度的關(guān)系 圖5為均勻沉淀法制備的in2o3粉體制得的氣敏元件在不同工作溫度下對(duì) 100ppmcl2的靈敏度關(guān)系曲線。我們測(cè)定了元件在不同加熱

21、溫度下，600煅燒2h的元 件靈敏度隨著加熱溫度的升高大致呈現(xiàn)先高后低的趨勢(shì)，其最大值出現(xiàn)在110附近。 低溫時(shí)，元件靈敏度較高；而元件在高溫工作時(shí)，元件表面的氧化反應(yīng)速度較快而限 制了氣體的擴(kuò)散，使得元件表面被測(cè)氣體的濃度減小，而引起元件靈敏度的降低。工 作溫度對(duì)靈敏度的影響較大，在測(cè)試范圍內(nèi)，靈敏度均隨加熱溫度的升高而呈現(xiàn)下降 趨勢(shì)，存在一個(gè)最大值，此值對(duì)應(yīng)的加熱溫度即為最佳加熱溫度。 分析可知，在低溫區(qū)，由于體系的能量小于其施主電離能e0，因此顯示出低導(dǎo)電 性能。隨著工作溫度的升高，體系獲得足夠的能量可以克服施主電離能e0，其載流子 濃度驟增，電導(dǎo)變大，呈現(xiàn)出主要靠電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體特

22、征。 3.2.3 氣體濃度對(duì)元件的靈敏度的影響 圖6 元件靈敏度與氣體濃度的關(guān)系 圖6為均勻沉淀法制備的in2o3粉體制得的氣敏元件在110下對(duì)不同濃度cl2的靈敏度 關(guān)系曲線。如圖所示，當(dāng)cl2濃度較低時(shí)，元件靈敏度較小，隨著cl2濃度的增加，元件吸 附的cl2分子越多，在較低濃度范圍內(nèi)，元件的靈敏度隨cl2濃度增加，上升緩慢。當(dāng)cl2氣 體的濃度為50ppm時(shí)，靈敏度已達(dá)到25，當(dāng)氯氣氣體的濃度為100ppm時(shí)，靈敏度急劇上 升，達(dá)到1175.491?？諝庵新葰夂孔罡咴试S濃度為1mg/m3?？梢奿n2o3氣敏元件可以滿 足檢測(cè)低濃度的cl2氣體的要求。 3.2.4 元件的選擇性 圖 7

23、元件對(duì)不同氣體的靈敏度 圖7為均勻沉淀法制備的in2o3粉體制得的氣敏元件在110下對(duì)100ppm不同氣體的靈 敏度關(guān)系曲線。選擇性是氣敏元件的另一個(gè)重要參數(shù)。理論要求是在相同的體積分?jǐn)?shù)條 件下,對(duì)所被檢測(cè)氣體之一有較好的靈敏度，而對(duì)其他種類的氣體的靈敏性能較低或者根 本沒有靈敏性能，則證明此材料具有良好的選擇性。選擇性是氣敏元件最需要解決的問 題之一。氣體傳感器的選擇性高低用選擇性系數(shù)來表示，它表示氣體傳感器對(duì)被檢測(cè)氣 體的識(shí)別以及對(duì)干擾氣體的抑制能力。其表示方法如下：k=sls2，其中，s1為材料對(duì)檢 測(cè)氣體的靈敏度，本實(shí)驗(yàn)中，檢測(cè)氣體是cl2；s2為元件對(duì)干擾氣體的靈敏度，實(shí)驗(yàn)中， 選擇

24、的干擾氣體為no2、h2s、甲醛、氨水、汽油、乙醇。如圖7所示cl2對(duì)干擾氣體 no2、氨水、h2s、乙醇、汽油、甲醛的選擇性分別為 60、1000、1000、1000、1000、1000左右。經(jīng)過多次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該元件的氣敏性能重復(fù) 性也較好，有望開發(fā)為具有高選擇性的cl2敏感元件。 3.3 氣敏元件的響應(yīng)氣敏元件的響應(yīng)恢復(fù)特性恢復(fù)特性 圖 8 元件的響應(yīng)恢復(fù)曲線 圖8、分別為均勻沉淀法制備的in2o3粉體制得的氣敏元件在110、250工作溫 度下對(duì)100ppmcl2的響應(yīng)-恢復(fù)曲線。氣敏元件的響應(yīng)恢復(fù)特性也是衡量元件氣敏性能好壞 的一個(gè)重要指標(biāo)。定義響應(yīng)時(shí)間tres為元件接觸被測(cè)氣體后，負(fù)載

25、電阻r1上的電壓由u0變化 到u0+90(uxu0)所需的時(shí)間；恢復(fù)時(shí)間trev為元件脫離被測(cè)氣體后，負(fù)載電阻rl上的電 壓由u0恢復(fù)到u0+10(uxu0)所需的時(shí)間，u0為元件在空氣中時(shí)負(fù)載電阻上的電壓值， ux為元件在被測(cè)氣體中時(shí)負(fù)載電阻上的電壓值。根據(jù)響應(yīng)恢復(fù)定義并計(jì)算可知：元件響 應(yīng)時(shí)間為7s，測(cè)試范圍內(nèi)無恢復(fù)。元件響應(yīng)時(shí)間為5s，恢復(fù)時(shí)間為5s。可見，雖然溫度 增加，靈敏度下降，但有利于恢復(fù)。 4 敏感機(jī)理探討敏感機(jī)理探討 氣敏元件的氣敏效應(yīng)機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜的問題，尚處于探索階段。一般認(rèn)為，氣體的 吸附和解吸會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體表面能帶結(jié)構(gòu)的畸變,使宏觀電阻值發(fā)生變化。半導(dǎo)體氣敏元件 靈敏度

26、高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，自60年代問世以來發(fā)展迅速。n型半導(dǎo)體在 檢測(cè)時(shí)阻值隨氣體濃度的增大而減小；在 200300溫度它吸附空氣中的氧，形成氧 的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)遇到有能供給 電子的氧化性氣體時(shí)，原來吸附的氧脫附，而由 氧化性氣體以正離子狀態(tài)吸附在金 屬氧化物半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，氣體以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而 使氧化物半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。氣體不存在時(shí)，金屬氧化物半導(dǎo) 體又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。半導(dǎo)體氣敏傳感器是 基于金屬氧化物與氣體發(fā)生作用電導(dǎo)率變化來檢測(cè)氣體的。當(dāng)氣體分子吸附在

27、半導(dǎo) 體的表面,電子在半導(dǎo)體和吸附質(zhì)之間發(fā)生傳遞 。電子傳遞的結(jié)果是在半導(dǎo)體表面形 成電荷耗盡層 ,引起能帶彎曲使逸出功和電導(dǎo)率產(chǎn)生變化 。用來解釋對(duì)氧化 性氣體的 敏感，氧化物半導(dǎo)體傳感器相似的敏感機(jī)理 24-26。涉及in2o3基納米材料氣敏特性的 主要過程有 ：對(duì)氧分子的吸附和離子化、對(duì)待測(cè)氣體分子的吸附和離子化。對(duì)純的 in2o3，存在帶1個(gè)或2個(gè)電荷的氧空位缺陷 ，可以作為吸附位 ，是導(dǎo)致氣體敏感的原 因27。這里對(duì)cl2 、no2氣敏機(jī)理進(jìn)行 簡(jiǎn)要分析： 牛新書等 28 認(rèn)為：in2o3具有 n 型半導(dǎo)體的特征 ，當(dāng)in2o3暴露于空氣中會(huì)吸附 空氣中的o2 ,化學(xué)反應(yīng)如下所示 :

28、 o2 + e-o2-(ads) 在一定溫度下 ，o2發(fā)生化學(xué)吸附從 in2o3中奪取電子形成吸附態(tài)的 o2-、o-和o2 - 等，從而使n型半導(dǎo)體電阻增加。當(dāng) in2o3遇到氧化性氣體 cl2電導(dǎo)會(huì)降低 ，其機(jī)理為： 由于材料在不同熱處理的過程中反應(yīng)生成大量的氧空位 vo. .: in3 + oox1/2o2 (g) + vo. .+ in + 在室溫時(shí)對(duì)其周圍價(jià)帶電子捕獲形成的電中性氧空位vox電離: vo. .+ 2 e-vox voxvo + e- vovo. .+ e- 隨溫度升高 ，元件電導(dǎo)急劇增加 ，高于一定的溫度時(shí) ，g值達(dá)最高。當(dāng) in2o3暴 露于空氣中時(shí) ，由于吸附氧從材

29、料導(dǎo)帶獲取電子而發(fā)生價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)換 ： o2 (gas) o2-(ads) o22 -(ads) 2o -(ads) 2o2 -(ads) 材料電導(dǎo)呈整體下降。當(dāng) in2o3處于cl2氣氛中時(shí)，由于cl2具有強(qiáng)氧化性 ，吸附以 cl2為主，cl2從 in2o3表面或者晶粒間界奪取電子 ，材料表面載流子數(shù)目減少 ，從而 電阻增加。隨著溫度的升高 ，吸附的氧氣及氯氣分子會(huì)以游離的形式解析 ： 1/ 2 cl2 (gas) + e-cl-(ads) 吸附的電子又重新回到半導(dǎo)體表面 ，從而減小了電導(dǎo)的降低 ，達(dá)到檢測(cè)的目的。 m. ivanovskaya 等29認(rèn)為：對(duì) no2的敏感機(jī)理有以下兩個(gè)過程 ：化

30、學(xué)吸附、化 學(xué)吸附氧的解吸。 第一個(gè)過程： no2 ,gas + (z) s (zo) s + nogas 在 in2o3中in3+和f是吸附中心 (z) s。 第二個(gè)過程： o2 解吸: (zo) s 2 (z) s + o2 ,gas 反應(yīng)是通過 o2的濃度控制的 ，當(dāng)溫度較高時(shí)更加突出 ，反應(yīng)限制了 no2在氧化物表 面的解吸。 影響材料氣敏性能的機(jī)制有兩種：（1）材料本身的表面微結(jié)構(gòu)，如表面氧吸附量決 定了空間電荷的量；（2）材料中電子傳導(dǎo)機(jī)制，燒結(jié)后的顆粒以頸部相連，頸部的寬度 是阻礙電子運(yùn)動(dòng)的主要因素，它主要取決于粒徑的大小。 比較幾種方法制備的 in2o3粉體對(duì)氣體的氣敏性能可以

31、看出：采用不同方法制備的 in2o3對(duì)氣體的氣敏性能有很大差異。各種方法均有其優(yōu)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)制備過程控制好實(shí)驗(yàn)條 件至關(guān)重要。氣敏性能的測(cè)定關(guān)鍵要涂好元件，控制煅燒溫度和時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)選擇 in(no3)34.5h2o 為原料采用均勻沉淀法制備的 in2o3粉體，不僅顆粒小，而且具有氣敏 性能好，工作溫度低，適用工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)榫鶆虺恋矸ㄊ抢媚骋换瘜W(xué)反 應(yīng)，使溶液中的構(gòu)晶離子由溶液中緩慢、均勻的釋放出來，避免了沉淀劑局部過濃的不 均勻現(xiàn)象。通過添加均相沉淀劑尿素，使尿素在 70左右發(fā)生水解生成 nh4oh,得到的 氨水使溶液呈現(xiàn)堿性，從而使銦鹽中的 in3+沉淀。另外，實(shí)驗(yàn)采用溶劑熱法一

32、步合成了 in2o3，省去了生成 in(oh)3的中間過程，無需煅燒，簡(jiǎn)化了 in2o3的合成工藝，合成 in2o3與傳統(tǒng)化學(xué)沉淀法合成 in2o3的氣敏性能經(jīng)過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)靈敏度、選擇性以及穩(wěn)定 性均優(yōu)于化學(xué)沉淀法合成材料。利用這種方法所得到的納米顆粒晶化好，粒度小，粒徑 分布窄，團(tuán)聚程度輕。所以，近年來利用水熱/溶劑熱法制備納米材料受到人們的廣泛關(guān) 注。 5. .結(jié)論與展望結(jié)論與展望 本實(shí)驗(yàn)采用六種化學(xué)方法制備 in2o3納米粉體。室溫固相合成法、溶劑熱法、化學(xué)共 沉淀法制得的 in2o3粒徑較小。均勻沉淀法制備的粉體所得的氣敏材料對(duì) cl2的氣敏性能 最佳。以所得 in2o3材料制備了旁熱

33、式燒結(jié)型氣敏元件，元件的最佳工作溫度是 110， 對(duì) cl2有較好的靈敏度和較好的響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間，可望進(jìn)一步開發(fā)為用于化工生產(chǎn)及環(huán)境 監(jiān)測(cè)方面的新型氧化性氣體敏感材料。 目前，尋求新的氣敏材料和通過對(duì)現(xiàn)有氣敏材料進(jìn)行改性，以提高其靈敏性和可靠性 成為研究的熱點(diǎn)1。雖然in2o3氣敏機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜的問題，它不僅涉及吸附理論、表面 物化反應(yīng)、表面狀態(tài)及半導(dǎo)體電子理論等知識(shí)，而且同一反應(yīng)往往是多種機(jī)理共同起作 用；同時(shí)，其氣敏性能與氧的存在是分不開的，從催化氧化反應(yīng)的角度出發(fā)推測(cè)氣固反 應(yīng)機(jī)制、研究氣敏效應(yīng)，可以洞悉反應(yīng)機(jī)理，深入研究反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，對(duì)改進(jìn)氣敏性能、 開發(fā)新型半導(dǎo)體氣敏材料及摻雜物質(zhì)都有

34、著重要的指導(dǎo)意義。相信in2o3將會(huì)成為下一個(gè) 氣敏材料研究的熱點(diǎn)，隨著其新的氣敏特性的不斷發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，對(duì)半導(dǎo)體氣敏材料和氣 體傳感器的發(fā)展將產(chǎn)生明顯地促進(jìn)作用。因此在貫穿綠色化學(xué)、化工的理念的前提下， 改進(jìn)已有的工藝條件，開發(fā)新的工藝條件制備性能優(yōu)異的in2o3納米材料，使其更好的造 福于人類。 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 王修智，蔣民華神奇的新材料（材料卷）m濟(jì)南山東科學(xué)技術(shù)出版社，2007，201 2 jaswinder kaur, rajesh kumar and m c bhatnagar. effect of indium doped sno2 nanoparticles on no2

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