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In_2O_3系半导体复合氧化物氯气敏感特性的研究

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氯气是现代工业的重要原料之一,60%以上的商业化学品在其生产过程中要用到氯气,同时氯气又是有毒有害气体,对人和动、植物的危害性极大,生产、储运和使用过程中经常因为这些毒气的外泄和浓度过大造成重大伤亡事故。

而人对氯气的嗅觉阈远远高于国际健康安全组织(HSE)公布的无害标准。因此,在工业区或有可能产生相当危害的生活区使用高性能的氯气传感器对空气中的氯气实施实时、实地监测是非常必要的。半导体气体氯气传感器由于具有灵敏度高、响应时间快、体积小、使用方便等优点成为世界上产量最大、应用最广的气体传感器之一。

本文采用化学共沉淀法分别合成了纳米半导体复合氧化物材料体系CdIn2O4和MgIn2O4。产物经X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱等方法表征。结果表明:CdIn2O4经500~800℃煅烧后,粒径尺寸在20~30nm之间;MgIn2O4经600℃~900℃煅烧后,粒径尺寸在20~40nm之间,两种材料均呈现尖晶石系结构。敏感材料经传统的工艺制成烧结型旁热式传感器件,通过测试各敏感材料在1-7V工作电压下对氯气均表现出较好的灵敏特性,呈现N型半导体变化规律。

其中CdIn2O4(600℃)在5V下对50ppm氯气的灵敏度为700倍,响应时间为4s、恢复时间为15s;通过对CdIn2O4进行掺杂,结果表明掺杂后的敏感材料加热电压降低了1~2V,并且灵敏度提高到近10倍;MgIn2O4材料经900℃煅烧后在4V工作电压下对10ppm氯气的灵敏度达到400倍以上;(CdIn2O4)0.6-( MgIn2O4)0.4对10ppm氯气的灵敏度达到400倍以上,响应时间为20s,恢复时间为55s。经480h的稳定性考核,各敏感材料均表现了高的稳定性。此外,考虑工程需要,综合各项指标,对0.5%氯铂酸掺杂的CdIn2O4传感器的灵敏度和氯气浓度的关系曲线进行了线性处理和误差分析,二者符合幂函数关系,误差小于2%,为后续电路提供了数据支持。

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