【摘要】：金屬氧化物半導(dǎo)體納米材料由于其制備方法簡單、成本低、對各種氣體有響應(yīng)而廣泛應(yīng)用于氣體傳感領(lǐng)域。近年來,金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料的研究一直是作為提升氣體傳感性能的主要突破點而備受關(guān)注。主要研究方向包括材料類型、形貌、暴露晶面、表面改性和器件結(jié)構(gòu)。然而,在制作氣體傳感器件時,廣泛使用涂覆工藝,其工藝繁瑣,成品率低,且易引起材料團聚�？紤]到基于納米復(fù)合材料的器件具有開放式的結(jié)構(gòu),使得目標(biāo)氣體更容易擴散到材料內(nèi)部。因此,仍然需要全面重視器件結(jié)構(gòu)的改善。本論文以金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器為基礎(chǔ)的納米復(fù)合材料作為研究對象,結(jié)合靜電紡絲和水熱法,制備了新型復(fù)合金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料。通過對前驅(qū)體產(chǎn)物的表征來分析其生長機制。通過構(gòu)建氣體傳感器原型器件來測試復(fù)合納米材料的氣體傳感性能。本文的主要研究內(nèi)容包括:1.我們使用靜電紡絲和水熱技術(shù)的簡單兩步法合成了基于α-Fe2O3/NiO納米片包覆纖維的新型分級異質(zhì)結(jié)構(gòu)。將高濃度的α-Fe2O3納米片均勻地外延沉積在NiO納米纖維上。通過XRD,SEM,TEM,EDX,XPS和BET分析研究了基于α-Fe2O3/NiO復(fù)合材料的納米結(jié)構(gòu)的結(jié)晶性,形貌結(jié)構(gòu)和表面組成。極端支化的α-Fe2O3/NiO納米片覆蓋纖維具有多孔結(jié)構(gòu),具有大的比表面積,這對于優(yōu)良的氣體傳感器來說至關(guān)重要。通過調(diào)整前驅(qū)體的比例,探索了基于α-Fe2O3/NiO復(fù)合材料的不同納米結(jié)構(gòu)。與純NiO納米纖維相比,在較低的工作溫度下其氣敏響應(yīng)更高、響應(yīng)-恢復(fù)速度更快,并且對丙酮的選擇性更好。其中,α-Fe203/Ni0納米片包覆纖維的S-2在169 ℃下100ppm丙酮的氣敏響應(yīng)高達(dá)18.24,大約是純NiO納米纖維的6.9倍�；讦�-Fe2O3/NiO納米片覆蓋纖維的復(fù)合材料氣敏性能的提升可歸因于具有大的表面積、p/n結(jié)和α-Fe2O3與NiO的協(xié)同性能。2.我們結(jié)合靜電紡絲和水熱法兩步合成NiO/ZnSn03新型異質(zhì)結(jié)構(gòu),在ZnSnO3納米纖維上均勻地外延修飾大量的NiO微球。通過XRD,SEM,TEM,EDX,XPS和BET等表征手段研究了NiO/ZnSnO3復(fù)合材料的物相、形貌結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)。NiO/ZnSnO3異質(zhì)結(jié)構(gòu)帶有介孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出大的比表面積,是制備高性能氣體傳感器的關(guān)鍵。與純ZnSn03納米纖維相比,基于NiO/ZnSnO3復(fù)合材料的器件氣敏性能有所改善,比如在低溫時表現(xiàn)出對乙醇?xì)怏w的高靈敏度、選擇性以及快速的響應(yīng)-恢復(fù)速度。在160 ℃時,NiO微球修飾的復(fù)合材料對20ppm乙醇的響應(yīng)高達(dá)23.95,是純ZnSnO3納米纖維的2.5倍。NiO/ZnSnO3復(fù)合材料傳感性能的提升可歸因于其具有高的比表面積、大量氧空位、p/n結(jié)效應(yīng)和NiO與ZnSnO3異質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同作用。3.我們采用表面活性劑水熱處理A1(N03)3、NiCl2和NaC2O4水溶液,通過在500℃空氣中連續(xù)退火合成了鋁摻雜NiO超長納米線,具有很好的分散性和清晰的形貌。研究了未摻雜和鋁摻雜的NiO納米線對乙醇、甲醇、丙酮、二甲苯、甲苯和苯的傳感性能。結(jié)果表明,對比純納米線、摻雜量為1.6 at%、2.1 at%和4.3 at%,鋁摻雜量為3.2 at%時,氣敏性能提升最大。研究表明,器件的氣敏性能隨著納米線中鋁摻雜含量的增加而提升。在NiO納米晶體中,Al3+離子同化是通過誘導(dǎo)NiO納米線缺氧和化學(xué)吸附氧的變化來改變載流子濃度。因此,在NiO納米線中摻入A13+將是設(shè)計優(yōu)良?xì)怏w傳感器的一種有效方法。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212;TB34
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本文編號：2707869