【摘要】：氣敏傳感器是一種檢測、監(jiān)控各種有毒有害、易燃易爆等氣體的器件,在大氣環(huán)境監(jiān)測和治理、智能家居、公共安全、化學(xué)生產(chǎn)與倉儲以及反恐/軍事安全等領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。其中,金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器作為應(yīng)用最多的一種傳感器,與其他傳感器相比具有靈敏度高、輕便易于攜帶、穩(wěn)定性好以及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。在眾多的金屬氧化物中,In_2O_3作為一種新型的n型半導(dǎo)體金屬氧化物,具有較寬的禁帶寬度,因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)而受到廣泛的關(guān)注,在氣體傳感器的應(yīng)用中具有優(yōu)異的性能。但單一組分In_2O_3仍具有一些不足之處,如靈敏度較低、工作溫度較高等,限制了它的發(fā)展。近年來,研究表明通過使In_2O_3與其他金屬氧化物或貴金屬復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)有助于改善其氣敏性能。本論文主要通過水熱法制備了不同形貌的納米結(jié)構(gòu)In_2O_3,并以得到的In_2O_3為主體材料,使其與貴金屬、其他金屬氧化物以及rGO復(fù)合,得到納米復(fù)合材料并測試其氣敏性能。本論文的主要研究內(nèi)容如下:1.采用水熱法制備了不同納米結(jié)構(gòu)的氧化銦氣敏材料。通過使用不同胺類以及調(diào)整水熱時間和溫度制備出了幾種納米結(jié)構(gòu)氧化銦氣敏材料。利用X射線衍射分析(XRD)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)分析、孔結(jié)構(gòu)分析(BET)和透射電子顯微鏡(TEM)分析等手段進(jìn)行表征對得到的材料進(jìn)行一系列的表征,并且利用WS-30A氣敏測試系統(tǒng)對得到的材料進(jìn)行氣敏性能檢測。2.在氧化銦納米立方體表面負(fù)載貴金屬,制備Au@In_2O_3納米復(fù)合材料。對得到的材料進(jìn)行一系列的表征及氣敏性能測試。結(jié)果表明,制備出的氧化銦立方體的尺寸為150-200 nm,且大小均勻,表面負(fù)載的金顆粒尺寸為15 nm左右。該納米復(fù)合材料對甲醛具有良好的選擇性,與純In_2O_3納米立方體相比,不僅靈敏度大大提高,其最佳工作溫度也降低了40oC。由于貴金屬特有的催化性能,促進(jìn)了材料氣敏性能的提高。3.采用水熱法成功合成了Fe_2O_3/In_2O_3 N-N異質(zhì)結(jié)納米復(fù)合材料。對得到的復(fù)合材料做了微觀結(jié)構(gòu)的表征與分析。結(jié)果表明,制備出的氧化鐵為棒狀,其均勻的生長在氧化銦微球上,制備出的Fe_2O_3/In_2O_3復(fù)合材料的尺寸為2-3μm,其中氧化銦微球的尺寸為200-300 nm,氧化鐵棒的直徑為10-15 nm。氣敏檢測結(jié)果顯示得到的納米復(fù)合材料的靈敏度相比于純In_2O_3提高了7倍,其對丙酮具有良好的選擇性。4.制備出了NiO/In_2O_3 P-N異質(zhì)結(jié)納米復(fù)合材料。并對得到的復(fù)合材料進(jìn)行了一系列的結(jié)構(gòu)表征與分析。結(jié)果表明,制備出氧化鎳均勻的生長在氧化銦微球表面,形貌呈薄片狀,片的長度約為100 nm,制備出的NiO/In_2O_3復(fù)合材料的尺寸為0.5-1μm。氣敏檢測結(jié)果顯示雖然得到的納米復(fù)合材料的靈敏度相比于純In_2O_3提高的并不多,但是其最佳工作溫度卻降低了20oC。并且對甲醛具有良好的選擇性,具有較好的穩(wěn)定性。5.通過水熱法合成了In_2O_3/rGO納米復(fù)合材料。rGO是一種典型的二維材料,其具有大的比表面積以及特有的官能團(tuán)可為氣敏性能的提高提供可能性。本文首先對已制備出的氧化銦立方體進(jìn)行表面處理使其表面帶有正電荷,利用靜電吸引的方法,將氧化銦與GO復(fù)合,隨后將GO在水熱環(huán)境下還原為rGO。對用該材料制作的氣敏傳感器元件進(jìn)行氣敏性能測試,在室溫下,其對100 ppm的NH_3具有良好的靈敏度,并且隨著NH_3濃度的增加,其靈敏度也隨之增大。
【圖文】：

圖 1.1 氣敏傳感器的分類以及優(yōu)缺點(diǎn)另外，由于電阻式氣體傳感器具有較高的響應(yīng)值，快速的響應(yīng)恢復(fù)時間、制作成本低等優(yōu)勢而受到廣泛研究，常用來制作傳感器的金屬氧化物材料有 Fe2O3、ZnO、In2O3以及 NiO 等。由于金屬氧化物半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型不同，，因此可以分為 P 型半導(dǎo)體和 N型半導(dǎo)體，其中 P 型半導(dǎo)體主要載流子是空穴，而 N 型半導(dǎo)體的主要載流子為電子。常見的 P 型和 N 型半導(dǎo)體如表 1.1 所示[16-17]。表 1.1 常見的 N 型和 P 型半導(dǎo)體材料1.1.2 氣體傳感器的特征參數(shù)半導(dǎo)體類型 金屬氧化物和復(fù)合氧化物半導(dǎo)體n 型 ZnO、Fe2O3、SnO2、WO3、MoO3、In2O3P 型 CuO、Cu2O、NiO、Cr2O3、MnO2、Co3O4

圖 1.2 N 型半導(dǎo)體在被測氣體中的電阻變化圖性當(dāng)氣體傳感器所處的環(huán)境中有各種氣體時，能夠?qū)μ囟▉碚f當(dāng)一個傳感器只對一種氣體具有較高的靈敏度，而抗干擾能力強(qiáng)，也就是選擇性良好[19]。-恢復(fù)時間指氣敏元件從開始接觸到被測氣體到電阻值的變化（△是指當(dāng)被測氣體從氣敏元件上脫附材料的阻值恢復(fù)為 來說，響應(yīng)和恢復(fù)時間越短，氣體傳感器的性能越好。電阻一個基本的參數(shù)，它是指氣敏元件在工作狀態(tài)下，氣敏阻穩(wěn)定后才可以開始用被測氣體測試氣敏性能，一般用穩(wěn)定性
【學(xué)位授予單位】：濟(jì)南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33;TQ133.53

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2595623