化学传感器陶瓷点缺陷及其应用.doc

化学传感器陶瓷点缺陷及其应用
摘要:化学传感器是一种重要的绿色传感器,在环境保护、催化合成等领域的工业过程和质量控制方面有着广泛应用。近来由于其在临床诊断、安全警报、缉毒安检和反恐等方面的特殊功用,倍受重视而得到了很大的发展.。本文就当今化学传感器陶瓷研究的一个热点—点缺陷与周围环境物理—化学交互作用,如点缺陷在氧化、还原和掺杂以及光、电、颜色等化学环境变化所导致的新应用和新进展作系统论述,以期有助于今后我国在该领域的基础研究和原创性、开拓性绿色事业研究的开展,在当前全球性经济危机下,具有特别重要的意义.。
关键词:绿色传感器; 点缺陷; 氧空位; 化学键;
化学传感器是借助于化学相互作用,将其周围环境的化学信息转换成电讯号的小型装置。通常化学传感器分成:气体传感器、湿度传感器、电化学传感器和生物传感器等四大类。这些传感器大多由半导体、陶瓷、玻璃、聚合物和金属等五种基础材料组成。陶瓷材料,特别是半导体陶瓷在传感电子学的很多方面,从微型元件以至复杂的集成电路芯片等都有极其重要的应用。这是因为传感过程是借助于材料表面的物理—化学吸附进行的,它与材料内部结构灵敏性密切相关;陶瓷材料具有良好的可控性,可借改变化学组分或采用不同工艺过程调整显微组织和点缺陷的结构来满足各种特定需求。
化学传感器陶瓷的结构灵敏性是指陶瓷材料表面与周围环境进行物理—化学交互作用导致性能变异的灵敏程度。它与晶体结构和点缺陷结构的表面态和能量的高低密切相关;通常高对称性与高稳态的陶瓷材料的结构灵敏性较低。本文主要论述传感过程中,体点缺陷结构在外场作用下所发生的变异对物理—化学性能的影响。缺陷化学为剖析点缺陷对陶瓷材料特性提供了极其有效的工具。陶瓷材料的电导率、扩散传导、化学反应速率和传质的动力学都与缺陷的形态和数目密切相关。本文所描述的各种陶瓷传感器的电性能都受点缺陷控制。
点缺陷在陶瓷材料敏感过程中的作用

导带( CB )附近的缺陷具有一定能级,可将一个电子输送给导带,或从价带(VB )接受一个电子,分别称为施主或受主。在离子晶体中,所有具非零有效电荷的离子缺陷都可视作施主或受主。显然,还原反应将产生氧空位, 而离子化又会生成电荷补偿电子。所以,氧空位也可视为一种施主,MgO的氧化作用导致镁空位和空穴补偿,因此,镁空位也是受主。而施主则是一种有效电荷的缺陷为了晶格的离子化,施主输出电子。相对来说,具负有效电荷的受主缺陷。则从完善晶格接受电子。在三元系的半导体氧化物BaTiO3中,阳离子固溶体中的钡可被镧或钛置换但是钇却不同:它既可作施主,取决于被替换的阳离子而定。这是因为 Y3+的离子半径处于Ba2+和 Ti4+之间,Y3+对各种不同A /B比率成分的阳离子都很敏感。所以,一些溶质的多重电离态是可能的,虽然它们的价态和能级各不相同。
2 能级
施主或受主在输出或获得电子后,其缺陷能级的状态将转换成不同符号。电离前施主缺陷的荷电状态和电离后受主缺陷的荷电状态的符号如图1所示。
图1. MgO晶体的能级
3质子导电过程
氢氧化和氧化—还原反应,这些反应几乎同时在一个局域的单元内进行,直至电极的电位趋于稳定的掺杂电位( EM )。即阳极和阴极间电流达等值时的电位
,或由阳极和阴极极化曲线交叉而成。固体质子—导电材料的电化学单元,是在室