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Sn~(4+)、La~(3+)和Ce~(4+)掺杂氧化钛纳米薄膜湿敏性能的研究

刘红伟  
【摘要】: 本工作采用溶胶–凝胶法在印有梳状银电极的石英玻璃表面制备了纯氧化钛、TiO_2–20wt%SnO_2和La~(3+)/Ce~(4+)掺杂TiO_2–20wt%SnO_2的薄膜,在不同温度下烧结制得湿敏元件。利用智能LCR测量仪在不同湿度环境下对湿敏元件的阻抗、电容等参数进行测量,并对其湿敏性能进行分析,研究了Sn~(4+)、La~(3+)和Ce~(4+)离子掺杂量、烧结温度、工作频率、涂敷层数等对薄膜湿敏性能的影响,利用原子力显微镜对湿敏薄膜作表面形貌分析,分析了各离子掺杂对薄膜湿敏性能的影响。 研究结果发现,在较低的工作频率和较低的烧结温度下,薄膜表现出较好的湿敏特性。随着测试频率的增大和烧结温度的升高,薄膜的湿敏性能变差。Sn~(4+)、La~(3+)和Ce4+掺杂后,薄膜的湿敏性能都比纯氧化钛薄膜的湿敏性能好。而且稀土离子掺杂后,薄膜的固有阻值有所降低。 TiO_2–20wt%SnO_2系薄膜中,湿敏性能最好的是400℃烧结的一层TiO_2–20wt%SnO_2薄膜,在25~95RH%范围内,阻抗值从10~9Ω下降到10~6Ω;La~(3+)掺杂TiO_2–20wt%SnO_2系薄膜中,湿敏性能最好的是0.5wt%La_2O_3掺杂400℃下烧结的薄膜,在45~95RH%湿度范围内,阻抗值从108?下降到10~6Ω;Ce~(3+)掺杂TiO_2–20wt%SnO_2系薄膜中,湿敏性能最好的是0.2wt%CeO_2掺杂500℃下烧结的薄膜,在25~95RH%湿度范围内,阻抗值从10~8Ω下降到10~6Ω。 稀土离子掺杂导致薄膜湿敏性能下降的原因主要是由于它们在氧化钛晶界富集,阻碍了氧化钛晶体吸附水分子和水分子的电离。


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