铝掺杂ZnO薄膜的溶胶凝胶法制备及气敏性能.pdfVIP

材料科学 铝掺杂ZnO薄膜的溶胶凝胶法制备及气敏性能木 孙猛1，2郝维昌1¨王天民1 1．北京航空航天大学材料物理与化学研究中心，北京，100083； 2．郑州轻工业学院技术物理系，郑州，450002 薄膜的晶体结构和吸收光谱．结果表明在400*(2以上热处理得到的ZnO纳米薄膜为纤锌矿结 构。在此基础上系统研究了A13+的掺杂浓度，气体浓度对ZnO薄膜气敏元件的影响．结果 表明，在A13+的掺杂浓度为0．5at％时气敏灵敏度最高，并且灵敏度随着浓度线性增加． 关键词凝聚态物理学；ZnO；气敏；溶胶一凝胶法 引 言 随着科技及工业的发展，在工业生产与日常生活中使用各种气体的数量和种类也不断增多。这些气体 如：氢、氧、液化石油气等都是易燃易爆的气体，有些还是有毒的，危害性很大。它们在运输和使用过程 中，若发生泄漏，则会引起大气污染、火灾和爆炸等重大灾害。由于上述原因，对气体的检测与控制就很 重要了，对各种气体的检测方法和气体传感器的研究就越来越多【惦】。ZnO薄膜由于具有宽带隙和良好的光 电、压电等性能，且化学稳定性高，因而受到人们越来越多的重视【3删。而半导体ZnO材料也是应用最早 的半导体气敏材料之一。但是，纯ZnO薄膜材料的电阻很高，使制作的器件存在灵敏度较低、稳定性差、 需要在较高的温度下工作等缺点。为了提高ZnO的灵敏度、稳定性等气敏性能，通常要在制备过程中进行 适当的掺杂来改善其性能【7，s】。 制备ZnO薄膜的技术有磁控溅射【9】、分子束外延【101、气相沉积【111、脉冲激光沉积【12】以及溶胶凝胶【13】 等很多种方法。相比之下溶胶凝胶具有工艺简单、可大面积成膜、所需设备便宜、具有工业化前景等优点， 并且，此方法十分容易实现掺杂，适合ZnO气敏薄膜的制备。本文利用溶胶凝胶法制备了Al川掺杂的ZnO 薄膜，并研究了其气敏性能，发现通过Al”掺杂可以提高ZnO薄膜的气敏性能。 1 实 验 800℃退火处理lh，处理后样品自然冷却至室温。 ● 基金项目：国家自然科学基金(No，国防科技重点实验室基金项目．北京大学工程研究院科研合作项目(204031)． 010 ”通讯联系人：郝维昌E-mail：cmpc@buaa．edu．饥电话t 607 中国科协第四届优秀博士生学术年会论文集 Ka D／max kV，Cu 采用Rigaku2200PC衍射仪对不同温度下退火处理的凝胶粉末的相结构分析，电压40 分光光度计表征。ZnO薄膜的气敏性能在自制的气敏性能测试仪上进行。气敏灵敏度用S=Ra／Rg表示(Rg 为薄膜在待测气体中的电阻值，Ra为薄膜在空气中的电阻值)。待测气体为氢气。 2结果和讨论 凝胶法制备的ZnO纳米晶属于六方晶系，纤锌矿结构。随着退火温度的升高，峰的强度不断增加，半高宽 不断减小，表明ZnO晶粒尺寸不断增大。 图l不同温度退火处理的ZnO凝胶粉末的XRD谱图 备的ZnO粉末样品为形状清晰的六边形颗粒，颗粒尺寸约为60nm。 28(。) 图2掺铝ZnO凝胶粉末在600C热处理的XRD谱图 608 圈3 ZnO糟末的TEM圈 在紫外一可见分光光度计上测得不同退火处理的ZnO薄膜(基底为石英玻璃)的紫外一可见吸收光谱 如图4所示。由图可知．三种薄膜在可见光区具有很高的透过率，三条曲线在380唧附近涮时有一比较陡 峭的上升，这是由于ZnO的本征吸收(禁带宽度E萨33eV)引起的川。