采用溶膠-凝膠自旋涂層法制備了氧化鋅和ZnO-CuO復(fù)合薄膜，測定了其在100~500°C之間的電導(dǎo)率和還原氣體靈敏度。隨著氧化鋅薄膜厚度的線性增加，晶粒尺寸增大，薄膜密度變大。其結(jié)果是，電導(dǎo)率增加了。結(jié)果表明，加入氧化銅可以增加ZnO-CuO復(fù)合薄膜的粒徑。隨著涂層數(shù)的增加，ZnO-CuO薄膜的厚度也隨晶粒尺寸的增大而增大。重復(fù)涂層的ZnO-CuO薄膜的電導(dǎo)率也有所增加。加入10mol.%氧化銅消除了薄膜的CO氣體敏感性，嚴(yán)重降低了h2氣體敏感性。氧化銅和氧化鋁的共加給了p型傳導(dǎo)對氧化鋅膜氣體敏感性降低的影響。

介紹

氧化鋅被用于許多不同的應(yīng)用，如透明電極，SAW過濾材料，以及氣體傳感器材料。氧化鋅作為一種氣體傳感器材料，用于檢測還原氣體，如CO和h2。為了提高靈敏度和選擇性，在傳感器的表面添加了Pd和Au等催化劑。此外，這些傳感器還由厚和薄膜制成。自從p-n異接觸傳感器的CO氣體選擇性的可能性被報道以來，各種形式的異接觸傳感器也在進(jìn)行測試，包括機械接觸型、薄膜型和復(fù)合形式。本研究制備了穩(wěn)定的氧化鋅溶膠，并利用溶膠的自旋涂層制備了氧化鋅薄膜。通過重復(fù)的自旋涂層程序，控制了薄膜的厚度，并研究了薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和電導(dǎo)率。制備了鋅-cuo復(fù)合薄膜，驗證了p-n復(fù)合薄膜作為氣體傳感器的使用。研究了添加氧化銅后對電學(xué)和氣體傳感性能的影響。討論了CO和h2氣體之間可能的選擇性。

實驗

使用光致抗蝕劑旋轉(zhuǎn)器將前體溶液旋涂在12 mm2和0.5 mm厚的多晶氧化鋁(99.8%)基底。旋轉(zhuǎn)器在10秒后達(dá)到2500轉(zhuǎn)/分，并保持20秒。每次涂覆后，將涂膜在300℃下干燥10分鐘。重復(fù)該旋轉(zhuǎn)干燥過程以增加涂膜厚度。薄膜最終在800℃退火1小時。加熱和冷卻速度為3℃/分鐘1.從薄膜橫截面的掃描電鏡觀察測量薄膜厚度。按照相同的步驟制備純的、未摻雜的氧化鋅和氧化鋅-氧化銅復(fù)合膜。由于在n型氧化鋅中加入p型氧化銅降低了氧化鋅-氧化銅復(fù)合氣體傳感器對一氧化碳?xì)怏w的響應(yīng)，因此Al2O3的加入量為1和10 at。CuO含量的%。這些樣品按照其在薄膜中的濃度命名為90ZnO–10CuO/0.1AI2O3、90ZnO–10CuO/1AI 2 O3。

結(jié)果和討論

薄膜的微觀結(jié)構(gòu)受薄膜厚度和涂層數(shù)量的影響。圖。3顯示了氧化鋅的微觀結(jié)構(gòu)(圖。3(a))和氧化鋅-氧化銅薄膜(圖。3(b))具有不同數(shù)量的涂層。對于單層和雙層涂層，顆粒之間的連接是松散的，因此薄膜看起來是多孔的。隨著涂層數(shù)量的增加，晶粒尺寸增大，薄膜變得致密。厚度約為。四次涂覆的氧化鋅薄膜的170納米和100納米的晶粒尺寸告訴我們，薄膜只有幾層厚。由于晶粒尺寸增大，無論涂層數(shù)量多少，薄膜都有一到兩層厚。換句話說，重復(fù)涂層主要通過增加顆粒尺寸而不是增加顆粒層的數(shù)量來增加薄膜厚度。對于6次涂覆的復(fù)合膜，觀察到的最大平均晶粒尺寸略小于ca。200納米。

圖7顯示了90ZnO–10CuO/0.1Al 2 O3復(fù)合膜的電導(dǎo)率曲線。薄膜現(xiàn)在被認(rèn)為是ZnO和CuO相的復(fù)合物。由于CuO是p型半導(dǎo)體，當(dāng)暴露于還原氣體時，從吸附的氧離子到CuO的電子轉(zhuǎn)移降低了CuO的空穴濃度，因此CuO加入到氧化鋅中有望降低n型氧化鋅的氣敏性。選擇鋁作為附加摻雜劑，因為鋁的添加在適當(dāng)添加時保持了n型氧化鋅氣體傳感器的氣體靈敏度。當(dāng)鋁在添加到氧化鋅之前被摻雜到氧化銅中時，對于體型復(fù)合傳感器，靈敏度實際上隨著氧化銅添加到氧化鋅中而增加。

圖9顯示了三種不同系列薄膜的電導(dǎo)率的比較。選擇在225℃下以200 ppm H2測量的電導(dǎo)率進(jìn)行比較，以最小化氧吸附對電導(dǎo)率的影響。所有薄膜都顯示出增加的電導(dǎo)率，重復(fù)涂覆直到電導(dǎo)率達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。

結(jié)論

采用溶膠-凝膠旋涂法成功制備了多晶氧化鋅和氧化鋅-氧化銅復(fù)合薄膜。重復(fù)涂覆后，隨著膜厚和密度的增加，氧化鋅薄膜的電導(dǎo)率顯著增加，氣敏性降低。鋁共摻雜到氧化鋅-氧化銅復(fù)合膜中沒有產(chǎn)生預(yù)期的一氧化碳?xì)饷粜?，可能是由于未能產(chǎn)生氣敏性所需的微結(jié)構(gòu)。因此，可能需要具有多于幾層晶?；蚓哂姓{(diào)整的微結(jié)構(gòu)和組成的薄膜來再現(xiàn)塊狀復(fù)合材料所示的氣體敏感性。

審核編輯：湯梓紅