可掺杂制备气敏材料ZnO微球的气敏性能及形貌研究

我们通过有机溶剂乙醇和乙醇胺用水热法制备了一种空心多孔的ZnO 微球，研究了两种有机溶剂对其形貌的影响，揭示了其可能的生长机理。然后对ZnO 空心多孔球进行了不同浓度的Y 掺杂，并对其气敏性能进行了研究，得到的结论如下：

①乙醇和乙醇胺两种有机溶剂以一定的配比制备了一种空心多孔的ZnO 微球，这种微球是由150 nm 左右的纳米棒和纳米颗粒通过自组装的方式有规律地组成的，纳米棒呈放射状地排列组成球的外壳架构，而纳米颗粒则填补在这些纳米棒的空隙中，形成了一种空心多孔的ZnO 微球。

②乙醇胺不仅促成了球形结构的产生，而且对空心和多孔结构的产生也有很大的作用。相对于ZnO 晶体在乙醇溶液中的快速迁移和形核，在乙醇胺溶液中的亚稳态ZnO 晶体则由于乙醇胺的高熔点和黏度令它的动力学结晶过程进行得很缓慢，使得沿着各个晶向生长的纳米晶混合得很均匀，并有足够的时间来形成球形结构。另一方面，乙醇胺促进了这种亚稳态的随机生长的纳米晶体的产生，这种纳米晶体很容易由高能态而被溶解和合并，随着球形结构内部的纳米晶被溶解和合并，球体内部出现了空心结构。其中乙醇胺与乙醇的比例对该空心多孔球的生成有很重要的影响。

③当在ZnO 样品中Y 的掺杂量低于4%时，一种类似于ZnYmOn 的第二相在ZnO 晶体中生成。这种新生成的第二相相对于ZnO 晶体具有较低的电阻，第二相小晶粒在ZnO 大晶粒的晶界面上生成，将各个ZnO 晶粒串联起来，降低了晶界间的接触电阻，从而降低了整体电阻。当掺杂量超过4%时，Y 掺杂在ZnO 中达到饱和，大量Y2O3 析出，并且沿着晶界生长。而Y2O3 比母体ZnO 具有更大的电阻率，从而又增加了晶界间的接触电阻，这就显著地抑制了Y 掺杂导致了整体电阻的降低，使整体电阻得到了升高。(www.xing528.com)

④从EDS 分析可以发现，O/Zn 的比率从67.7%（ZnO）降到53.6%（4%Y 掺杂ZnO），在Y 掺杂的ZnO 中氧和锌比率的降低表明随着Y 掺杂量的升高增加了晶体中的缺陷。另一方面，相关晶格常数的增加也证实了本征缺陷的增加，例如：和。在水热过程中，掺杂一定量的Y 能够促进缺陷的增加。这就说明Y 掺杂能够增加氧空位的浓度，从而在ZnO 的表面吸附更多的氧分子，增加了O-的浓度。

⑤空心多孔ZnO 微球在350 ℃的工作温度下具有最高的灵敏度47.4，远高于在相同条件下的ZnO 颗粒的灵敏度，这表明形貌对气敏性能是有显著影响的。更重要的是，当将ZnO 微球掺杂Y 后它的气敏性能得到了显著提高，当Y 的掺杂量达到4%时，它对5×10-5 乙醇气体的灵敏度达到了最高值为65.7。而进一步增加Y 的掺杂量则会降低它的灵敏度。掺杂Y 后，降低了该ZnO 微球的最佳工作温度，从350 ℃降低到300 ℃。掺杂4%Y 的空心多孔ZnO 微球对5×10-5 甲醛气体的响应恢复时间为4 s 和6 s，并具有良好的选择性和循环稳定。