#半導體超細粉末的制備及氣敏性能分析研究

1、實驗一 半導體納 M 粉體的制備及氣敏性能研究一、實驗目的制備 SnO2半導體超細粉末，并進行其氣敏性能的研究二、實驗要求1 查閱文獻，盡可能全面的了解有關半導體的知識，諸如半導體的概念、 特性及特性機理、用途、半導體特性的研究方法；2查閱文獻，盡可能全面的了解有關超細粉體的知識，包括超細粉體的概念、特性、制備方法、表征方法等；3查閱文獻，全面了解 SnO2 超細粉體的結構、特性、用途、國內外研究現(xiàn)狀等；4 采用液相沉淀法制備 SnO2半導體超細粉末，探索制備條件 反應 pH 值、 分散劑、熱處理溫度）對超細粉體粒徑及粒徑分布的影響；5掌握氣敏元件固有阻值、靈敏度及選擇性等的測試與計算；6探索

2、工作溫度、氣體種類、氣體濃度、顆粒粒徑等的氣敏元件靈敏度的影響；7 寫出 SnO2 超細粉體制備及氣敏性能的詳細的實驗報告 包括相關知識總 述、實驗原理、實驗過程、結果與討論、結論）。三、實驗提要本實驗包括 超細粉體的制備和超細粉體氣敏性能測試兩大部分 。氣敏性能 測試包括氣敏元件的制備和氣敏元件的敏感特性。 本實驗中要求制備出納 M 氧 化錫, 將所制備納 MSnO2制備成旁熱式氣敏元件，并測試氣敏元件的氣敏性能。半導體氣敏元件的工作機理比較復雜，雖然已采用各種物理手段進行研 究，但理論工作仍處在探索之中，很多問題尚不清楚。但是各種半導體氣敏元 件都是利用所吸附的氣體分子與元件表面或體內的作

3、用而使半導體的電導率發(fā) 生變化這一機制是公認的。對 SnO2 來說，其晶格為氧離子缺位。當與空氣接觸時，它首先吸附空氣中 大量存在的氧，這些氧從半導體捕獲電子而形成 O2- 、O- 、O2- , 這時半導體表面形 成耗盡層，表面電導下降，這時通過氣敏元件的工作電流很小。當處于這種狀態(tài)的氣敏元件遇到還原性氣體時，吸附氧就把所捕獲的電子重新給予半導體， 耗盡層逐步消失而表面電導增加。根據(jù)工作電流增加的量，可以確定待測氣體 的濃度，從而達到檢測的目的。四、實驗原理 一）超細粉體制備原理超細粉體制備采用液相沉淀法，以 SnCl4 為原料，制備過程主要分為兩個 階段水解反應和熱處理過程，其原理如下：Sn

4、Cl4+3H2OSn（OH4+3HClSn（OH4SnO2+ 2H2O 二）旁熱式半導體氣敏元件的制備原理負載氣敏材料的物質為氧化鋁陶瓷管。為了實現(xiàn)半導體材料的電阻測試，事先圖 1 元件管芯涂敷情況用金漿在瓷管的兩側燒上金 電極，再用金漿將測量用的 鉑點焊在金電極上。半導體 氧化物用水或粘合物調成漿 料，涂到瓷管的電極間，經 6 00800煅燒，可獲得氣 敏元件的敏感層。圖 2 氣敏元件結構圖1-加熱絲； 2-管芯； 3-因為半導體氣敏元件 需在一定溫度下工作，以保證快速的 響應和恢復，并減少環(huán)境濕度對氣敏 性能的影響。本實驗采用 Ni-Cr 電阻 絲作為加熱源，通過調節(jié)電阻絲兩端 的電壓值可

5、控制元件的工作溫度。將圖 1 的鉑電極和電阻絲焊接 到圖 2 所示的管座上，封上網罩，即 形成旁熱式半導體氣敏元件。 三）旁熱式半導體氣敏元件的敏感 特性原理半導體氣體傳感器的檢測可采用動態(tài)測試法和靜態(tài)測試法兩種。本實驗圖3 測試原理示意圖采用靜態(tài)法，在 WS- 30A氣敏元件測試系統(tǒng)上 進行測試，該系統(tǒng)采用電 壓測試法，基本測試原理 如圖3所示。系統(tǒng)提供氣 敏元件加熱電源 Vh ，回路 電源Vc，通過測試與氣敏 元件串聯(lián)的負載電阻 RL 上 的電壓 Vout的變化可以計 算氣敏元件的輸出電壓，進而計算出氣敏元件的電阻值。計算公式如下：Ra=(V c/V a-1R LRg=(V c/V g-1

6、RLSnO2為n型半導體，定義元件的靈敏度 S=Rg/Ra，Rg 、Ra分別為元件在被測氣體 =S(A/S(B=R g (B/Rg (A 通過控制電阻絲兩側的加熱電壓，可獲得不同的工作溫度，得到不同的 固有電阻和氣體靈敏度，以測定不同工作狀態(tài)下的電阻 -溫度特性和靈敏度 - 溫度特性。通過測試氣敏元件分別在乙醇、汽油、 CO等氣體的靈敏度，可判斷 氣敏元件的選擇性，確定其適合何種氣體，用在哪些場合。通過改變氣體濃度可測試靈敏度 - 氣體濃度特性，可確定傳感器的檢測范圍，檢測上限和下限。五、儀器與藥品2SO4 溶液3, 甲基纖維素松油醇粘合劑，帶金電極的 瓷管，毛筆，鑷子，電阻絲，氣敏元件基座，

7、氣敏元件封網，罩酒精 棉，方瓷舟，焊錫，焊錫膏六、實驗內容與步驟一） SnO2超細粉體的制備玻璃儀器的清洗實驗中所用一切玻璃器皿均需嚴格清洗。先用鉻酸洗液洗，再用去離子水 沖洗干凈，然后烘干備用。工藝制備工藝 作為參考）配制一定濃度的四氯化錫溶液 , 置于磁力攪拌器上 , 攪拌狀態(tài)下加入聚乙二 醇和稀氨水 ,全部沉淀后 ,過濾,依次用去離子水、無水乙醇洗至硝酸銀檢測不到 Cl -離子，干燥、焙燒、研磨，得到氧化錫納 M粉體。制備工藝流程如圖。錫鹽溶液混合分散劑研磨成粉3 制備工藝條件對氧化錫氣敏性能的影響 1）四氯化錫溶液濃度對氧化錫氣體敏感性的影響 參考濃度：0.5mol/L,1.0mol/

8、L,1.5mol/L,2.0mol/L, ）, 聚乙二醇加入量對氧化錫氣體敏感性的影響 ,（ 參考量 :0g,0.5g,1.0g,1.5g二）旁熱式氣敏元件半導體的制備1. 取前述實驗制備的 SnO2超細粉體，在瑪瑙研缽中研磨 5min。2. 在研磨好的氣敏氣敏材料中滴入幾滴甲基纖維素松油醇粘合劑，濕磨至松針狀出現(xiàn)且漿料不自動下滑或團聚為宜，得到氣敏漿料。3. 用鑷子將帶金電極的瓷管四角向外拉伸成 45角，放入方瓷舟中備用。4. 用鑷子夾住瓷管的兩側，用毛筆或竹簽蘸取少量氣敏漿料，涂到瓷管中水解沉淀 過濾洗滌干燥熱處理稀氨水央，注意要涂覆均勻，至無空白瓷管為止，放入方瓷舟中，在紅外烘箱中干燥

9、5min，然后用酒精棉將研缽清洗干凈。將干燥后的瓷管放入馬弗爐中，設定燒成溫度為 600，并保溫 1h 后， 自然冷卻，得到燒成的半導體氣敏元件。將馬弗爐冷卻后，取出瓷舟。用鑷子、電烙鐵將瓷管的四個角焊接到六 角底座的外側；將電阻絲穿入瓷管中，并焊接到六座的中央兩極。用萬用表各 極間的電阻，并判斷是否焊接好。將焊接好的氣敏元件貼上標簽，插到氣敏元件老化臺上。控制老化臺的 電壓為 5.5V 左右，記下時間，老化 5 天后備用。老化期間注意用萬用表測量電 阻絲兩端的電壓是否保持在 5.5V 左右，以驗證是否出現(xiàn)脫焊現(xiàn)象。8.5 天后取下氣敏元件，用萬用表檢驗各角連接是否完好后，在封裝機上加 蓋網罩

10、后就制成了商品化的氣體傳感器探頭?？捎糜跍y試氣敏性能。 三）旁熱式半導體氣敏元件的敏感特性1將自制的半導體氣敏元件，按順序插入氣敏測試儀的底座上，記下樣品 的位置。2將測試儀的回路 Vc壓調節(jié)為 10V，加熱電壓 Vh調節(jié)為 5V，觀察輸出電壓 的變化，每隔 10秒記錄一次輸出電壓值 Va，記錄到 Va不再變化為止，計算對應 的空氣阻值 Ra， 繪制 Ra-t曲線。3將加熱電壓調至 3V，穩(wěn)定 1min，記錄輸出電壓 Va；依次測試氣敏元件在 3.5V、4.0V、5.0V 、5.5V的輸出電壓 Va值，計算對應的空氣阻值 Ra，繪制Ra- Vh曲線。將氣敏元件的加熱電壓調至 5V，根據(jù)測試箱的

11、體積，事先計算好注入氣 體的體積或質量。用注射器注入 50ppm的酒精，記錄輸出電壓 Vg 的變化；依次 測試 50ppm汽油、 500ppm酒精的 Vg，計算響應的檢測氣氛中的電阻值 Rg，并 計算氣敏元件的靈敏度，氣體選擇性系數(shù)。 繪制靈敏度 - 氣體種類圖。改變酒精蒸汽的濃度為 10ppm、25ppm、100ppm，記錄輸出電壓的變化， 計算對應的 Rg和氣體靈敏度， 繪制靈敏度 - 濃度圖。將氣敏元件的加熱電壓調至 5V，根據(jù)測試箱的體積，事先計算好注入氣 體的體積或質量。用注射器注入 50ppm的酒精，記錄輸出電壓 Vg 的變化；依次 測試不同焙燒溫度下的顆粒的 Vg，計算響應的檢測

12、氣氛中的電阻值 Rg，并計算 氣敏元件的靈敏度， 繪制靈敏度 - 焙燒溫度圖。四、 實驗報告要求1. 報告格式 按方框中所示格式：題目一、文 獻綜述1 半導體納 M 粉體概念、特性、用途、半導體特性的研究方法；2 納M 氧化錫的結構、特性、制備原料及方法、表征、應用、國內外研究現(xiàn)狀等；3 氧化錫納 M 粉體制備過程中制備條件對粉體粒徑及形貌的影響。二、實驗要求及目的三、實驗原理四、實驗過程 要求詳細寫出實驗過程五、實 驗結果及討論 將得到的實驗數(shù)據(jù)盡量用圖或表格的形式表示出來，結合已有的知識、實驗現(xiàn)象及 文獻資料對實驗數(shù)據(jù)進行分析。六、結 論2 報告字數(shù)25000字以上 2SO4 的作用是什么？參考氧化錫的恒溫水解設計氧化鐵