CaCu3Ti4O12陶瓷湿敏特性及湿敏机制的研究

Environment humidity can greatly affect our lives such as human comfort, food storage, physical and chemical processes in pharmaceuticals, agriculture, and so on. Thus, the monitor and control of humidity level are of importance. In recent years, much attention has been paid to the development of humidity-sensitive materials or elements, which can be applied in automatic humidity control systems. Among various types of humidity sensors, ceramic materials usually have advantages over other materials in their higher thermal, chemical, and mechanical stability. Capacitive-type ceramic sensors have good prospects that the capacitor structure is so simple enabling miniaturization and achieving high reliability and low cost.In addition, amplification of capacitance is easily performed by oscillator circuits. High dielectric constant ceramic CaCu3Ti4O12 (CCTO) should be a possible candidate for capacitive-type humidity sensor materials. However ,the investigation on CCTO mainly focus on the dielectric mechanism and the performance improvement. In our previous study, we firstly found that the dielectric constant of CCTO is sensitive to relative humidity, and Mg doping enhances the sensitivity of dielectric constant to relative humidity. This topic will continue our previous work, aim to improve the humidity sensing properties of CCTO and understand the underlying physics behind the humidity sensing phenomenon. Furthermore, the humidity sensing propertis of film CCTO and nanoporous CCTO also to be studied.

湿度是表示大气干湿程度的物理量，它与人类的生产生活息息相关。因此，对湿度的监测和控制十分重要。对湿度的监控要用到湿度传感器。湿度传感器根据其工作原理主要分为电阻型和电容型，其材料主要有电解质材料、高分子材料和陶瓷材料。其中陶瓷式电容型湿敏材料具有稳定性好，灵敏度高，抗腐蚀性能好、易于实现集成化和实现小型化、可用于振荡电路之中等优点，因此是一项值得研究的课题。高介电常数材料CaCu3Ti4O12（CCTO）是一种潜在的陶瓷式电容型湿敏材料，但是人们对它的关注只集中在其介电性能的改善和介电机理的研究方面。我们在实验中首次发现了它的介电常数具有对湿度敏感的特性，并通过掺杂提高了其对湿度的灵敏度。然而其湿敏特性还有改良的空间，湿敏机理还有待研究，此外，对于CCTO薄膜及纳米多孔材料湿敏特性的研究尤其具有实际的意义。

陶瓷式电容型湿敏材料具有稳定性好，灵敏度高，抗腐蚀性能好、易于实现集成化和小型化、可用于振荡电路之中等优点，因此是一项值得研究的课题。高介电常数材料CaCu3Ti4O12（CCTO）是一种潜在的陶瓷式电容型湿敏材料，我们对CCTO的湿敏特性进行了以下四方面的研究。首先，我们对CCTO陶瓷的湿敏机理进行了研究。CCTO陶瓷样品中存在晶界势垒和电极接触势垒，此两种势垒对CCTO的电容有很大的贡献。研究发现水分子的吸附对CCTO陶瓷的两种势垒皆有一定的影响，从而影响了CCTO的电容。此外，在高湿区域，物理吸附水分子引起的取向极化和空间电荷极化进一步增加了CCTO的整体电容。该结果不但使我们深入了解了CCTO的湿敏机理，并对提高CCTO的湿敏灵敏度有一定的指导意义。其次，我们对CCTO湿敏特性的改进做了一定的工作，主要通过改变CCTO陶瓷的微结构以及掺杂两种手段。实验发现此两种手段皆不能很好地改善CCTO的湿敏特性。对于掺杂样品，虽然湿滞回差和恢复时间有一些改进，但响应灵敏度却大大下降。再次，我们对薄膜CCTO的湿敏特性进行了研究。我们首先探索了丝网印刷法制备薄膜CCTO的工艺，并对制成的薄膜材料的湿敏特性进行了表征。实验发现薄膜的湿敏特性比起块体材料有了较大的改进：灵敏度提高了近三倍，11%RH-75%RH湿度范围的响应和恢复时间减少到几秒。最后，我们还对实验中制备出来的相关样品的介电性质进行了研究，实验发现了氧空位和晶界电阻对CCTO介电性能的影响，使得对于CCTO的介电机理有了更进一步的认识。