● 摘要
TiO2是一种n型半导体，可用作气敏传感器材料来检测CO、醇类、H2等多种气体。金红石结构TiO2材料是继ZrO2氧敏材料后研究最多的敏感材料之一，但是目前主要集中在块体及厚膜方面的研究，对于TiO2薄膜气体敏感性能的研究较少，因此非常有必要对TiO2基气敏薄膜的制备、结构和气敏性能进行进一步研究。 本文采用溶胶-凝胶法制备了形貌均一、晶粒尺寸小的纳米TiO2薄膜，采用XRD、SEM、AFM、EDS、XPS等手段对薄膜进行了较全面的表征；较系统地研究了不同Ce离子配比浓度、薄膜厚度、热处理工艺对TiO2薄膜结构与气敏性能的影响，并就其组成、结构、薄膜响应时间、最佳工作温度之间的规律性作了较深入的讨论；利用PS球为模板制备了多孔状的TiO2薄膜，并研究了其气敏性能。 结果表明：Ce离子掺杂浓度、薄膜厚度、热处理温度对薄膜的气敏性能有显著的影响。TiO2薄膜微结构、颗粒直径随着掺杂Ce离子配比浓度的改变显著变化，Ce掺杂有助于获得颗粒直径小且多孔状TiO2薄膜。合理控制薄膜厚度可以获得高灵敏度、低工作温度、快速响应的TiO2气敏薄膜。热处理温度对薄膜的最佳工作温度有很大影响，当热处理升高时，薄膜最佳工作温度有向高温方向移动的趋势。Ce离子掺杂对薄膜的气敏性能的影响机理比较复杂，当配比浓度为30 at%时，对H2的灵敏程度最高。利用PS球模板制备的多孔TiO2薄膜对H2具有较高的响应，但是其热稳定性不高。H2的吸附与脱附、电子转移传输及TiO2的晶型等理论能较合理的解释薄膜的气敏性能。