铁酸盐复合氧化物（MFe2O4）系列气敏材料的制备及新型气体传感器的研究

论文题目: 铁酸盐复合氧化物（MFe2O4）系列气敏材料的制备及新型气体传感器的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料学

作者: 杨留方

导师: 赵怀志

关键词: 铁酸盐,化学共沉淀,纳米材料,组合结构,气体传感器

文献来源: 昆明理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本论文系统地研究了铁酸盐复合氧化物（MFe2O4）新型气敏材料。采用反滴定化学共沉淀法制备出了NiFe2O4、MgFe2O4、CdFe2O4和Zn0.5Ni0.5Fe2O4纳米粉末,对材料制备方法和工艺、材料结构的表征、材料合成、反应动力学、材料的气敏特性、气敏机理等作了较系统的研究;对新型组合结构气体传感器的原理进行了研究,提出了材料选择原则,制作出了几种组合结构气体传感器。 1、NiFe2O4、MgFe2O4、CdFe2O4和Zn0.5Ni0.5Fe2O4纳米材料的制备工艺、结构表征及性能测试。（1）采用反滴定化学共沉淀法制备出了NiFe2O4、MgFe2O4、CdFe2O4和Zn0.5Ni0.5Fe2O4纳米材料,获得了上述材料的最佳制备工艺。（2）通过X射线衍射谱测定了粉末的晶粒粒径。在不同热处理温度（350℃～700℃）下获得的NiFe2O4晶粒粒径为9～39nm;在500℃～700℃热处理温度下获得的MgFe2O4晶粒粒径为14～19nm;在600℃热处理温度下获得的CdFe2O4晶粒粒径为80nm;在600℃热处理温度下获得的Zn0.5Ni0.5Fe2O4的晶粒粒径为50nm。用透射电子显微镜（TEM）测量得到的二次粒子的颗粒直径为100nm左右。（3）采用室温固相合成方法合成了CdFe2O4粉末,与反滴定化学共沉淀法进行了比较。结果表明,反滴定化学共沉淀法,在热处理温度为700℃时可获得单相的CdFe2O4;而室温固相合成法,在该热处理温度下获得的产物不是单相的CdFe2O4,而是CdO、Fe2O3及CdFe2O4的混合物,且合成前驱物时,反应激烈,反应热难以控制。（4）研究了NiFe2O4、MgFe2O4的晶粒生长动力学。其生长均遵从Arrhenius方程,2LnD与1/T满足单一线性关系。通过计算,得出NiFe2O4在350～700℃之间晶粒生长活化能为42.00 kJ/mol;MgFe2O4材料在500～700℃范围内晶粒生长的活化能为17.58kJ/mol。（5）对NiFe2O4、MgFe2O4、CdFe2O4和Zn0.5Ni0.5Fe2O4纳米粉末的气敏特性进行了测量。通过实验发现,在一定的工作温度下,NiFe2O4纳米超细粉体对甲苯（C6H5CH3）敏感性高,MgFe2O4对丙酮（CH3COCH3）敏感性高,

论文目录:

摘要

Abstract

第一章半导体气敏材料及气体传感器的研究现状和进展

1．1 概述

1．2 半导体气体传感器的研究现状

1．2．1 金属氧化物和金属复合氧化物半导体气体传感器

1．2．2 有机半导体气体传感器

1．3 半导体气敏材料的制备技术

1．3．1 液相法制备气敏材料

1．3．2 固相法制备气敏材料

1．3．3 气相法制备气敏材料

1．4 半导体气体传感器的气敏机理

1．4．1 空间电荷调制理论

1．4．2 能级生成理论

1．4．3 接触粒界势垒理论

1．4．4 吸附氧模型

1．4．5 体原子价控制电导理论

1．4．6 体电阻控制型理论

1．4．7 非电阻型理论

1．5 气体传感器存在的问题与发展趋势

1．6 铁酸盐系气敏材料的研究现状

1．6．1 AB_2o_4型化合物结构

1．6．2 尖晶石型铁酸盐系复合氧化物气敏材料的研究现状

1．7 选题依据和研究目标

1．7．1 选题依据

1．7．2 研究目标

第二章研究内容与实验方法

2．1 研究对象

2．2 研究方案和技术路线

2．3 MFe204材料的制备

2．4 气敏材料的表征

2．5 气体传感器的结构

2．5．1 单元件结构气体传感器

2．5．2 组合结构气体传感器

2．6 气体传感器的制备工艺

2．7 基本测试原理

2．7．1 测试电路

2．7．2 气体浓度

2．8 气体传感器测试装置

2．9 气体传感器的主要性能指标

2．10 本章小结

第三章 NiFe_2O_4半导体材料的制备与气敏性能研究

3．1 引言

3．2 NiFe_2O_4材料的制备与表征

3．3 材料的DSC-TGA和XRD分析

3．4 NiFe_2O_4材料形成机理的探讨

3．4．1 NiFe_2O_4反应机理探讨

3．4．2 NiFe_2O_4晶粒生长动力学

3．5 NiFe_2O_4材料对甲苯的气敏性能

3．5．1 气敏元件的制作与性能测试

3．5．2 气敏材料的电阻温度特性

3．5．3 对甲苯的气敏性能

3．6 结论

第四章 MgFe_2O_4半导体材料的制备与气敏性能研究

4．1 引言

4．2 MgFe_2O_4材料的制各与表征

4．3 材料的DSC-TGA和XRD分析

4．4 MgFe_2O_4材料形成机理的探讨

4．4．1 MgFe_2O_4反应机理探讨

4．4．2 MgFe_2O_4晶粒生长动力学

4．5 MgFe_2O_4材料的气敏性能研究

4．5．1 气敏元件的制作与性能测试

4．5．2 热处理温度对材料气敏性能的影响

4．5．3 工作温度对材料气敏性能的影响

4．5．4 气体浓度对材料灵敏度的影响

4．5．5 材料的响应恢复特性

4．6 结论

第五章 CdFe_2O_4半导体材料的制备与气敏性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 室温固相化学反应法合成CdFe_2O_4

5．2．2 液相法合成CdFe_2O_4

5．2．3 材料的表征

5．2．4 气敏元件的制作与性能测试

5．3 结果和讨论

5．3．1 室温固相合成CdFe_2O_4材料的XRD分析

5．3．2 液相法合成CdFe_2O_4材料的DSC-TGA和XRD分析

5．3．3 CdFe_2O_4反应机理探讨

5．3．4 元件的气敏性能

5．4 结论

第六章 Zn_(1-X)Ni_xFe_2O_4半导体材料的制备及气敏性能研究

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 材料的制备与表征

6．2．2 元件的制作及测试

6．3 实验结果及讨论

6．3．1 材料结构分析

6．3．2 材料气敏特性的研究

6．4 结论

第七章 MFe_2O_4半导体材料的敏感机理讨论

7．1 MFe_2O_4气敏材料中化学计量比的偏离和相关缺陷

7．1．1 MFe_2O_4气敏材料中化学计量比偏离的产生机制

7．2．2 化学计量比的偏离与缺陷产生的情况

7．2 气敏材料表面吸附特征

7．3 材料表面吸附、脱附和气体反应

7．4 材料表面吸附与表面电导的关系

7．5 NiFe_2O_4材料对不同气体的吸附量

7．6 材料电阻率与气体浓度的关系

7．7 NiFe_2O_4半导体材料的气敏机理

7．7．1 n-MFe_2O_4半导体材料的气敏机理

7．7．2 p-MFe_2O_4半导体材料的气敏机理

7．7．3 气敏机理模型与实验结果的对照

7．8 结论

第八章 n+p组合结构气体传感器研究

8．1 n+p组合结构气体传感器原理

8．1．1 检测还原性气体的n+p组合结构气体传感器原理

8．1．2 检测氧化性气体的n+p组合结构气体传感器原理

8．2 高性能新型n+p组合结构臭氧气体传感器的研制

8．2．1 研制臭氧气体传感器的意义

8．2．2 臭氧浓度的定标

8．2．3 p半导体材料NiFe_2O_4对臭氧气体的敏感特性

8．2．4 n型半导体材料的选择

8．2．5 n+p组合结构臭氧气体传感器

8．3 高性能新型n+p组合结构乙醇气体传感器的研制

8．4 结论

第九章 n+n组合结构半导体气体传感器研究

9．1 气体传感器的选择性

9．2 n+n组合结构半导体气体传感器原理

9．2．1 元件的灵敏度

9．2．2 元件选择性

9．2．3 元件热稳定性

9．2．4 抗湿度能力

9．2．5 初期驰豫时间

9．2．6 n+n组合结构高性能气体传感器选材原则

9．3 高性能n+n组合结构气体传感器的研制

9．3．1 元件的制作

9．3．2 元件测试结果

9．4 结论

第十章总结

参考文献

致谢

附录A (攻读博士学位期间完成的学术论文目录)

附录B (攻读博士学位期间从事的科研工作)

发布时间: 2005-10-17

参考文献

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[4].亚稳相WO3纳米气敏材料的晶面调控及其对丙酮的选择性响应和敏感机理研究[D]. 贾倩倩.天津大学2015
[5].聚吡咯及其纳米复合敏感材料的制备及气湿敏特性研究[D]. 洪利杰.浙江大学2012
[6].铁酸钕基微/纳结构的可控制备及其性能研究[D]. 王优.北京科技大学2016
[7].低维α-Fe2O3纳米材料的合成、改性及气敏性能研究[D]. 王燕.南开大学2009

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