本文關鍵詞：水熱合成氧化鋅納米結構的氣體傳感應用　出處：《重慶大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：與其他同等地位的技術相比,納米技術在物理、化學、光學和催化性方面有優(yōu)異的性能,因此它的研究已經(jīng)變得越來越流行。在Ⅱ-Ⅳ半導體材料中,Zn O在室溫下有著較寬的禁帶寬度3.7 e V,及較大的激子激發(fā)能60 me V,是一種優(yōu)異的n型的半導體。由于其在諸如高熱導率、高電子遷移率、高透明度和易于加工制造成各種各樣的納米結構等方面的獨特性能,Zn O納米結構已經(jīng)引起了很多研究者的注意。在氣敏應用方面,Zn O因其對多種氧化還原氣體有高靈敏性,費用低,且易于加工制造和小型化等方面的特點,它已經(jīng)被關注很久了。尤其應該指出的是,Zn O在氣敏傳感器的應用中,表現(xiàn)出潛在的材料開發(fā)可能性。這是因為,由盡可能多的小尺寸納米塊,可以組成孿晶,多層和堆積的微米或納米結構。另一方面,Zn O沿鏡面對稱的納米結構的二次生長,已經(jīng)被懷疑能調制Zn O表面的負荷狀態(tài),從而很大程度上改變它的功能。在這篇專題論文中,我們將討論一種輕易可得的,由簡便的水熱法制備而來,可調整的Zn O,它有多種多樣的六角形的,孿晶的,多層盤狀結構。這種Zn O的形貌,結構,光學和電學性能用XRD,SEM,HRTEM,氣敏測試和UV光譜來表征。納米結構的形成受表面活性劑濃度,工作溫度,封端劑和反應體系中的電荷變換的作用影響。另外,晶體的結構,形貌,生長機制是復雜的。并且他們的氣敏靈敏度和反應恢復時間,穩(wěn)定性和選擇性進行了測試�？偨Y如下六角的Zn O納米盤結構由簡單的,易控的水熱法,使用兩種表面活性劑制備而來。當加入相同量的十二烷基硫酸鈉和溴化十六烷三甲胺(CTAB)時,由于氮化反離子和氫氧根離子的代替作用,Zn O會沿著水平方線向上生長。由于具有較大的表面積,這些納米結構顯示出很好的氣敏性。用這些盤狀的納米結構制成氣敏傳感器,并用還原性氣體對其進行了氣敏測試。對甲醛的靈敏度為81.6和43.2,響應恢復時間5.7 s和9.1 s。這是在溫度為300 oC和濃度為150 ppm條件下的測試結果。在這六角Zn O納米盤結構的基礎上,制成了一種晶面對稱的六角納米盤。這種孿晶納米結構是通過合成獨立的陰陽離子活性劑得到。在最后的溶液中,兩種表面活性劑被用來合成孿晶的納米盤,在鈣化時間為12和24 h時,其厚度分別約為200,750 nm。加入作為靜電粘合劑的硫酸鈉,粘合出晶面對稱的結構。而NO32-和溴離子,為盤狀的納米結構提供基本的微胞。我們已經(jīng)用一種低溫的水熱法成功的制備了納米棒嵌入的Zn O納米盤,這些納米棒均長為300-700 nm。二次嵌入的納米棒成功的沿著[0001]面生長在納米盤的表面。對于納米棒的嵌入。Zn O納米盤是作為基礎結構,由十二烷基硫酸鈉溶液合成而得。尿素用作二次前驅,而且導致在[0001]極面的二次成核。二次納米結構的氣敏性也對不同濃度的多種氣體中進行了測試。在200 oC下,二次納米結構對甲醛、乙醇、甲醇、丙酮、和氨氣的最大的靈敏度分別為24.7,17.8,8.5,7.4,和6.3。由于離解能的作用,這種傳感器對甲醛表現(xiàn)出顯著地選擇性和靈敏性。故這些嵌入的Zn O納米棒氣敏傳感器對甲醛的選擇性和靈敏度優(yōu)于其他氣體。在溫度為200℃和氣體濃度為150 ppm時,所有氣體的靈敏度都達到最高。我們已經(jīng)成功的報道了Zn O六角納米圓錐體的制備。這種制備需要用雙離子表面活性劑。XRD結果顯示,這種Zn O納米結構為纖維礦鋅Zn O。并且FESEM結果表明,其平均長度和直徑分別為1.3μm和1.2μm。HRTEM結果則表明,此結構主要沿著(0001)(00-11)極面生長。此結構轉變成納米圓錐體是由于PVP的陰離子特性。在溫度為275 oC,這種Zn O納米圓錐體暴露在濃度50 ppm到350ppm下,傳感器展示出靈敏度12.5和最快的響應恢復時間8s,9s。在SDS和PVP的參與下,用可控的水熱法,我們已經(jīng)有效的制備了多層Zn O環(huán)狀納米盤。SDS的加入為鏡面結構提供靜電捆綁,而PVP在多層圓形納米盤中再生成反面的微胞微乳劑。多層納米盤的氣敏性也用甲醛在300 oC下從5ppm到1200 ppm濃度下氣敏靈敏度分別為15.2,28.5,39.8,70.6,82.7。而反應和恢復時間分別為5s和7s。另外,實驗發(fā)現(xiàn),該結構對甲醛的靈敏度較高。這一發(fā)現(xiàn),使得這種多層納米結構的傳感器適合用于檢測甲醛。通過改變水熱反應的時間,實驗已經(jīng)成功的實現(xiàn)從Zn O六角針狀棒到六角花狀棒的形貌轉變。FESEM結果表明,針狀棒的平均長度和直徑分別為3.4-3.8μm,和350-400 nm�；畎舻钠骄L度約為100nm,直徑分700-850 nm。我們發(fā)現(xiàn)提供OH-的HTM和MEA在針狀棒到納米花的聚集過程中,起著至關重要的作用。通過UV分光鏡獲取的吸收譜表明,光學帶隙能為3.317e V和3.323 e V。而氣敏測試結果表明,在濃度為50 ppm和溫度為350 oC時,納米花制成的傳感器對乙醇氣體和NO2氣體靈敏度分別為45.7和33.6。雖,在溫度為350℃和濃度為50 ppm條件下,雖然這種傳感器對NO2的靈敏度低于乙醇,但其對NO2響應恢復時間最短,對NO2的響應恢復時間為6s和12s,而對乙醇的響應恢復時間為10s和7s。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ132.41;TB383.1

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本文編號：1410688