Fe2O3納米材料相結(jié)構(gòu)調(diào)控機(jī)制及其氣敏性能研究.pdf

1、Fe2O3納米材料相結(jié)構(gòu)納米材料相結(jié)構(gòu)調(diào)控機(jī)制及其調(diào)控機(jī)制及其氣敏氣敏性能性能研究研究PolymphousTransfmationsGasSensingPerfmanceofFe2O3NanostructuresMechanismDiscussion學(xué)科專業(yè)：材料學(xué)研究生：陳雅璐指導(dǎo)教師：季惠明教授天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院二零一五年十二月摘要金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器在環(huán)境監(jiān)測、呼吸診病等領(lǐng)域具有很大的潛在應(yīng)用價值。傳感器對目標(biāo)氣體的

2、敏感性、選擇性、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)恢復(fù)的實(shí)現(xiàn)主要依賴于核心氣敏材料的設(shè)計。亞穩(wěn)相的半導(dǎo)體納米材料表面較為活躍，對氣體的敏感性和選擇性往往與穩(wěn)定相材料有所不同。本課題采用微乳液溶膠凝膠SiO2包裹法制備得到了不同相結(jié)構(gòu)和形貌的Fe2O3納米材料，并對制備亞穩(wěn)相εFe2O3的工藝和相變機(jī)理進(jìn)行了討論。對不同相結(jié)構(gòu)和形貌的Fe2O3納米材料的氣敏性能進(jìn)行了對比研究，并對εFe2O3的氣敏響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了探討。不添加導(dǎo)向劑離子，在1050C煅燒1h

3、；或添加10wt%Ba2離子作為導(dǎo)向劑，在900C1000C煅燒1h可以制備純相εFe2O3。Fe2O3的相變主要推動力為各物相吉布斯自由能的差異。即隨著Fe2O3納米結(jié)構(gòu)尺寸的增大，吉布斯自由能最低的相依次為γFe2O3相、εFe2O3相和αFe2O3相。所以，隨著溫度升高或煅燒時間延長，γFe2O3或εFe2O3納米顆粒團(tuán)聚或生長，在相變臨界尺寸發(fā)生重構(gòu)型相變。Mg2離子導(dǎo)向劑的添加會部分抑制γFe2O3到εFe2O3相變的發(fā)生；而

4、Ba2和Na離子導(dǎo)向劑的添加會促進(jìn)γFe2O3到εFe2O3及εFe2O3到αFe2O3的相變，同時Ba2會使εFe2O3和αFe2O3出現(xiàn)取向生長。離子導(dǎo)向劑對Fe2O3相變的影響比較復(fù)雜：一方面，離子導(dǎo)向劑會使無定形SiO2黏度下降，促進(jìn)Fe2O3生長，進(jìn)而促進(jìn)γFe2O3到εFe2O3及εFe2O3到αFe2O3相變發(fā)生；另一方面離子半徑較大的離子會吸附于εFe2O3的表面，改變εFe2O3的臨界相變尺寸，從而部分延遲εFe2O3

5、到αFe2O3相變的發(fā)生，得到尺寸較大的納米棒結(jié)構(gòu)。在不同相結(jié)構(gòu)的Fe2O3納米材料中，εFe2O3對乙醇及NO2具有足夠的靈敏度、較快的響應(yīng)恢復(fù)速度和較高的穩(wěn)定性，展現(xiàn)出較好的綜合氣敏性能，并對正丁醇有很好的選擇性。此外，在氣敏測試中觀察到：同一取向的εFe2O3納米棒和εFe2O3與αFe2O3混合相納米棒表現(xiàn)出相似的靈敏度和選擇性；εFe2O3納米顆粒對乙醇的響應(yīng)表現(xiàn)出pn轉(zhuǎn)變，這是由于其表面發(fā)生能帶重構(gòu)，由此推斷εFe2O3為表