利用 GdBaCo2O5+δ 氧迁移率的验证性概念热电氧传感器

在本文中，我们展示了一种基于热电原理、使用多晶 $GdBaCo_2O_{5+\delta}$（其中 0.45<${\delta}$<0.55，GDCO）的验证性概念氧传感器。层状双钙钛矿氧化物中的晶格氧对环境氧分压高度敏感。在环境条件下合成并经处理的 GDCO 样品显示出纯正交晶系（$P_{mmm}$ 空间群）相，且根据 X 射线衍射 Rietveld 精修确认 ${\delta}$ 值接近 0.5。X 射线光电子能谱显示在非八面体位置存在显著的 $Co^{3+}$ 氧化态，此外在八面体位置有 $Co^{3+}$ 和 $Co^{4+}$。在电阻率和 Seebeck 系数测量中观察到绝缘体-金属转变（MIT）发生在近 340 K。在恒定温度梯度 1 K 下，当气体环境从 100% 氧气变为 100% 氮气并反之亦然时，Seebeck 系数在室温（300 K）下显示出约 10-13 $\mu$V/K 的大变化，时间常数约 20 秒。发现 Seebeck 的响应在 MIT 以下特别大。氧向晶格中的扩散导致空穴掺杂，引起载流子浓度的大变化，从而在绝缘态中产生 Seebeck 系数的大变化。另一方面，由于金属态中本已很大的载流子浓度增加不显著，Seebeck 的变化极小。尽管如此，在化学计量比 ${\delta}$ = 0.5 $\pm$ 0.05 内，MIT 以下的响应具有相当好的重现性。该原理将对设计在室温甚至低温下工作的氧传感器具有重要用途。