黃雙龍
(北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院,北京100083)
SnO2是n型寬能隙半導(dǎo)體,禁帶寬度為3.5-4.0eV,作為氣敏材料,其載流子主要來自晶體缺陷,即氧空位或摻雜雜質(zhì)提供的電子。SnO2檢測H2的原理是:SnO2表面在空氣中通常都會出現(xiàn)氧氣的吸附,由于氧氣電子親和能大于半導(dǎo)體表面逸出功,將從SnO2獲得電子形成負(fù)離子(O2-、O-和O2-),其中工作溫度<150℃時,主要形成O2-;工作溫度150-400℃時,主要形成O-;工作溫度>400℃時,主要形成O2-。氧吸附在SnO2表面,從半導(dǎo)體表面得到電子而形成受主型表面態(tài),而SnO2形成分層的電子結(jié)構(gòu)[1],外層是高阻值的電子耗盡層,而內(nèi)層保持著n型半導(dǎo)體的性質(zhì)。當(dāng)接觸H2時,吸附氧與H2發(fā)生表面氧化反應(yīng),向SnO2注入電子,降低傳感器的電阻,發(fā)生響應(yīng)。
添加NiO對SnO2進(jìn)行表面改性,提高了SnO2氣敏元件的靈敏度[2]。添加NiO可以抑制SnO2晶粒的生長,增加比表面積,提供更多的活性位點。時NiO屬于過渡金屬氧化物,能夠吸附更多的氧,增加了SnO2表面氧吸附的種類與數(shù)量,加快表面反應(yīng)。而且NiO具有一定的催化活性,減少氣敏反應(yīng)的活化能,有利于氣敏反應(yīng)的進(jìn)行。
采用溶膠凝膠法制備NiO-SnO2納米粉體,首先將0.038molSnCl4.5H2O溶于100mL去離子水中,添加1.5g檸檬酸作為分散劑。然后以氨水作為沉淀劑,磁力攪拌的條件下,緩慢滴加到上述溶液中,調(diào)節(jié)溶液pH=2-3,制得Sn(OH)4沉淀,經(jīng)過離心水洗去除Cl-直至用0.1mol/LAgNO3溶液檢測不到殘余的氯離子。其次,添加適量去離子水分散沉淀物,加熱混合液至60℃,然后滴加硝酸回溶沉淀物,調(diào)節(jié)混合液pH在2左右,得到SnO2溶膠。把硝酸鎳溶液按Ni2+與Sn4+的摩爾比為1:19配比添加到SnO2溶膠中,經(jīng)干燥、陳化形成凝膠。將所得干凝膠在馬弗爐中600℃焙燒2h,得到NiO-SnO2納米粉體。
通過絲網(wǎng)印刷方法在Al2O3基板上印刷一層叉指Pt電極,在850℃燒結(jié)1h即形成牢固的Pt電極,將制備的NiO-SnO2粉體與有機(jī)粘結(jié)劑混合成漿料,印刷在已有叉指Pt電極的Al2O3基板上,烘干后在馬弗爐中500℃燒結(jié)2h,得到NiO-SnO2氣敏元件,如圖1所示。
圖1 氣敏元件制作流程圖
測試系統(tǒng)由氣體稀釋系統(tǒng)、電阻爐和電化學(xué)工作站組成,如圖2所示。首先把電阻爐升溫至工作溫度恒定,然后通入氣體,本實驗選用的通氣速度為1L/min,再把氣敏元件放入電阻爐,通過兩個電極引線與外部的電化學(xué)工作站連接。設(shè)定電化學(xué)工作站的電壓為5V,得到氣敏元件的“I-t”曲線。
圖2 氣敏元件測試系統(tǒng)示意圖
根據(jù)電流隨時間的變化計算出氣敏元件的電阻變化,進(jìn)而計算出氣敏元件對目標(biāo)氣體的響應(yīng)值。氣敏元件的響應(yīng)值定義為S=Ra/Rg,其中Ra為氣敏元件在空氣中的電阻,Rg為氣敏元件在目標(biāo)氣體中的電阻,響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別為響應(yīng)值和恢復(fù)值達(dá)到平衡的90%所用的時間。
在400℃、500℃以及600℃焙燒2小時所得NiO-SnO2粉體的XRD圖譜如圖3所示,從圖中可以看出,三種粉體的衍射峰位置與SnO2標(biāo)準(zhǔn)PDF41-1445相一致。在圖譜上只觀察到SnO2單相峰,沒有出現(xiàn)NiO特征峰,原因是低濃度NiO摻雜時,NiO可能被隔離在SnO2的表面[3]。在600℃下焙燒的粉體相應(yīng)的衍射峰更加尖銳,表明粉體完全結(jié)晶。因此,本實驗將NiO-SnO2粉體的焙燒溫度設(shè)定為600℃。
圖3 不同溫度焙燒2h的5mol%NiO-SnO2粉體XRD圖譜
在工作溫度400℃下,5mol%NiO-SnO2氣敏元件和SnO2氣敏元件(制備方法同上)對不同H2濃度的響應(yīng)如圖4和圖5所示。由圖可知,響應(yīng)值S隨著濃度的增加而遞增,5mol%NiO-SnO2氣敏元件對1000,2000,4000,6000和8000ppmH2的響應(yīng)值是SnO2氣敏元件響應(yīng)值的1.67,1.83,2.04,2.25和2.49倍。
圖4 SnO2基氣敏元件在400℃不同H2濃度下的響應(yīng)曲線
圖5 SnO2基氣敏元件的響應(yīng)值與H2濃度的關(guān)系曲線
圖5為5mol%NiO-SnO2氣敏元件和SnO2氣敏元件的響應(yīng)值與H2濃度的關(guān)系曲線,從圖中可知,響應(yīng)值與濃度之間存在很好的線性關(guān)系,其中5mol%NiO-SnO2氣敏元件的線性度為0.999,SnO2氣敏元件的線性度為0.982。事實上,金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器對被測氣體的響應(yīng)值與被測氣體濃度的關(guān)系按經(jīng)驗式表示為S=kCn+b[4],式中k,b為常數(shù),C為被測氣體的濃度,n為冪指數(shù),通常在0.5-1.0之間。所以5mol%NiO-SnO2氣敏元件和SnO2氣敏元件對H2的響應(yīng)值與H2濃度的關(guān)系中,n=1。
(1)600℃焙燒2h所得NiO-SnO2粉體的衍射峰更加尖銳,說明該粉體具有很好的結(jié)晶度,可以用作氣敏材料。
(2)在400℃工作溫度下,5mol%NiO-SnO2氣敏元件比SnO2氣敏元件具有更高的靈敏度、更短的響應(yīng)恢復(fù)特性以及更好的穩(wěn)定性。
(3)在濃度特性方面,5mol%NiO-SnO2氣敏元件和SnO2氣敏元件都呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,并且5mol%NiO-SnO2氣敏元件具有更好的線性相關(guān)度。
[1]Kim H J,Lee JH.Highly sensitive and selective gas sensors using p-type oxide semiconductors:Overview[J].Sensors and Actuators B,2014,192:607-627.
[2]Lv P.Study on amicro-gas sensorwith SnO2-NiO sensitive film for indoor formaldehyde detection[J].Sensors and Actuators B,2008,132:74-80.
[3]Hidalgo P,Castro R H R,Coelho A C V,Gouvea D.Surface segregation and consequent SO2sensor response in SnO2-NiO[J].Chemical Material,2005,17:4149-4153.
[4]Sakai G,Matsunaga N.Theory of gas-diffusion controlled sensitivity for thin film semiconductor gas sensor[J].Sensors and Actuators B,2001,80:125-131.