fe离子掺杂tiolt2gt氧敏薄膜的制备与性能研究

《fe离子掺杂tiolt2gt氧敏薄膜的制备与性能研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、摘要目前环境污染和能源短缺已越来越成为阻碍社会发展和进步的重要因素。因而，监测气体浓度、控制和减少废气污染以及提高各种燃气的利用率，以保护环境和节约能源已经越来越得到重视。氧是地球上最丰富的元素之一，它与人类活动密切相关，近年来，用于监测和控制氧气浓度的氧敏传感器的研究已经引起了人们极大的兴趣。金红石相面02是一种十分理想的氧敏材料，成本低、灵敏度高、高温下稳定、制备简单、可以精确的控制空燃比、以及易于集成化等，因而备受关注，在食品保鲜、汽车尾气的检测、工业炉燃烧气氛的控制以及空气净化等方面得到了广泛的应用。随着科学技术的发展和社会进步，器件的小型化和集成化已经成

2、为当前的发展趋势，这对金红石相Ti02较高的制备温度(≥1000℃)以及较高的工作温度(800℃)都提出了挑战。很显然，降低金红石相Ti02的制备温度和工作温度，以及与现有已经发展成熟的硅微电子技术相匹配的集成技术对推动相应集成化器件的发展将越来越显得重要。因而，了解和掌握相关制各技术和对薄膜形成及性能的影响因素将成为推动相关技术进步的重要研究内容之一。本文采用溶胶凝胶法成功在石英玻璃基板和硅基板上制备了Fe离子掺杂的金红石相Ti02薄膜，并利用x射线衍射、场发射扫描电子显微镜、氧敏性能的测定等多种分析测试手段对掺杂后的Ti02薄膜物相结构、微观形貌以及氧敏性能进

3、行了研究。Fe离子掺杂的Ti02薄膜中锐钛矿相为均匀小晶粒分布结构，金红石相以大尺度团聚结构形貌出现。研究发现，Fe离子的掺杂对Ti02薄膜中金红石相的形成有很大的影响。未掺杂的rn02薄膜金红石相开始形成于900℃，并且需要经过lh的二次热处理，而Fe离子掺杂的Ti02薄膜在800℃下不需要经过二次热处理就可以形成金红石相，可见Fe离子掺杂使金红石相Ti02的形成温度降低了100℃左右。并且，Ti02薄膜中金红石相的含量在Fe离子掺杂量较低时，随Fe离子掺杂量的增加，由于补偿了本征缺陷引入的畸变，金红石相的析晶能力提高，金红石相的含量随Fe离子掺杂浓度的增加而增

4、大；Fe离子掺杂量较高时，随Fe离子掺杂量的增加，引入过量的缺陷又加大了金红石相的畸变，金红石相的析晶能力反而下降，金红石相的含量随着Fe离子掺杂浓度的增加而减小；而Fe离子掺杂量达到一定值时，则基本达到平衡，形成金红石相的量达到最大，即析晶能力最强。研究还发现，Fe离子掺杂的金红石相n02薄膜在(110)方向取向生长。虽然在石英玻璃基板和硅基板这两种衬底上得到的薄膜有着相似的结晶规律，但是相比较而言，在硅基板上涂覆的Ti02薄膜不仅可以在Fe离子掺杂量较低时，可以得到结晶性能较好的金红石相Ti02薄膜，而且由于硅基板中较少的缺陷允许较高的Fe离子掺杂来平衡Ti0

5、2中的本征缺陷，从而可以在更高的Fe掺杂量范围内得到结构较好的金红石相Ti02薄膜。本研究通过PEG的添加在硅基板上制备了金红石相Ti02多孔薄膜。研究发现，PEG的添加可以在金红石相Ti02薄膜中形成孔隙，在金红石相Ti02单层薄膜中通过PEG的添加可以形成很好的孔隙。并且随着热处理时间的延长，薄膜中PEG完全分解，在晶粒的长大的同时在金红石相Ti02薄膜中形成了很好的孔隙。对金红石相Ti02薄膜的氧敏性能进行研究发现，金红石相nD2薄膜的氧敏性能一方面是由氧空位对02的吸附作用造成的，氧空位的增加可以增大氧的吸附量，提高Ti02薄膜的氧敏性能：另一方面与薄膜中

6、金红石相的含量有关，金红石相的Ti02较其他结构的Ti02来说氧空位的迁移速率较高，因而具有较好的气体响应效应，薄膜中金红石相的含量越高，薄膜的氧敏性能则越高；另外薄膜表面大量孔隙的存在增加了薄膜的比表面积，增大了薄膜对氧的吸附，因而薄膜中孔隙分布越多，薄膜的氧敏性能就越高。Fe离子的掺杂不仅平衡了Ti02体系中的本征缺陷，引入了氧空位，而且还促进了金红石相Ti02的形成，因而Fe离子的掺杂提高了金红石相Ti02薄膜的氧敏性能。PEG的添加同样促进了金红石相Ti02的形成，而且在金红石相Ti02薄膜表面形成了大量的孔隙，增加了薄膜的表面积，提高了金红石相Ti02薄

7、膜的氧敏性能。关键词溶胶凝胶，Ti02薄膜，Fe离子掺杂，添加PEG，氧敏性能IIABSTRACTNowdays，ahighlysensitiveandfastresponseoxygengassensorisindemandtocontroloxygenconcentrationinfoodpreservation，combustionprocessesinautomobileenginesandindustriessuchassteel，chemicaletc．Varioussemiconductoroxideshavebeenproposedandhaves

8、howns