本文關(guān)鍵詞：二氧化錫納米材料的水熱合成及其氣敏性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：二氧化錫作為一種重要的的N型寬禁帶(3.6 eV,300 K)半導(dǎo)體材料,在傳感器、光催化、太陽能電池、超級電容器等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。其中最重要的應(yīng)用之一便是傳感器。由SnO_2作為氣敏元件制作的傳感器具有高的響應(yīng)能力、較好的響應(yīng)恢復(fù)特性和穩(wěn)定性,使它成為最具潛力的氣敏材料之一。半導(dǎo)體材料的氣敏性能很大程度上依賴于其結(jié)構(gòu)和形貌,如何制備可控尺寸和特殊形貌的納米SnO_2成為了一個(gè)重要的研究方向。本論文采用操作簡單、成本較低的水熱合成技術(shù),以改善氣敏性能為目的,通過調(diào)整合成條件、向體系添加堿液、表面活性劑,進(jìn)行燒結(jié)處理,制備出了不同形貌的SnO_2,包括中空結(jié)構(gòu)、具有大比表面積的疏松多孔結(jié)構(gòu),這些均有利于提高傳感器的氣敏特性。通過XRD、SEM、TEM、HRTEM和SAED等表征測試手段對材料的微觀結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征,探討其生長機(jī)理,并對它們的氣敏性能進(jìn)行了研究。主要研究內(nèi)容包括以下幾部分:(1)由一維納米棒組裝的棒狀SnO_2結(jié)構(gòu):采用簡單的水熱法,以SnCl_2·2H_2O作為反應(yīng)物,添加表面活性劑CTAB或PEG,分別合成了實(shí)心棒狀和多孔的SnO_2中空棒狀結(jié)構(gòu)。反應(yīng)物濃度和表面活性劑的不同對SnO_2形成過程和形態(tài)有很大影響。相比由實(shí)心棒狀結(jié)構(gòu)制成的傳感器,基于多孔棒狀結(jié)構(gòu)的傳感器對乙醇有更高的響應(yīng),在最佳工作溫度350 oC時(shí)響應(yīng)達(dá)最大值54。這歸因于多孔SnO_2棒狀結(jié)構(gòu)的表面有大量的花瓣?duì)罴{米片和孔隙,提供更多的氣體擴(kuò)散路徑,有利于氣體擴(kuò)散。(2)由一維納米棒/錐體組裝的花狀SnO_2結(jié)構(gòu):首先,采用一步水熱法在溫和條件下合成了由中心向四周放射性生長的一維納米棒組裝的SnO_2花狀結(jié)構(gòu),揭示了它如何由球狀變成花狀結(jié)構(gòu)。PEG-6000的存在控制SnO_2晶體生長過程,是獲得均勻形貌、分散性好的花狀SnO_2的關(guān)鍵性因素。在最佳工作溫度313°C,氣體靈敏度達(dá)到最大值S=35,響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為7-8s和9-10s。良好的氣敏性能表明了它用作氣體傳感器的潛能。隨后,采用水熱法合成了由納米錐體組裝的三維花狀SnO_2結(jié)構(gòu),單個(gè)納米錐體的最大直徑接近塊體SnO_2德拜長度的兩倍,氧氣化學(xué)吸附引起大量的電子消耗,這有助于氣敏性能的提高。測試了材料對100ppm H_2在低溫50°C紫外照射下的氣敏特性,氣敏響應(yīng)在幾秒鐘從2.7增加到9.5。這不僅是因?yàn)樾路f的一維-三維構(gòu)架提供了大量反應(yīng)位點(diǎn)和充足的氣體擴(kuò)散空間,還由于在紫外光激發(fā)下,Sn-O(ad)重構(gòu)為Sn-O(hv),這使其可以在低溫下有效檢測H_2。(3)由二維納米片組裝的多孔花狀SnO_2結(jié)構(gòu):三維多孔結(jié)構(gòu)和分級組裝,在避免納米結(jié)構(gòu)團(tuán)聚、保留大的比表面積的同時(shí),還由于內(nèi)部存在孔道結(jié)構(gòu)有利于氣體的擴(kuò)散,是構(gòu)筑高靈敏度和快速響應(yīng)氣敏材料的理想結(jié)構(gòu),備受關(guān)注。首先,采用一步水熱法,在表面活性劑CTAB輔助下,合成了由大量納米片聚集組裝成的多孔SnO_2花狀結(jié)構(gòu),有良好的氣敏性能。這歸因于其獨(dú)特的二維片狀結(jié)構(gòu),它縮短了氣體擴(kuò)散的距離,為待測氣體提供更易進(jìn)入的通路和活性表面。隨后,通過簡單的水熱法結(jié)合燒結(jié)處理,制備了一種新穎的雪片狀SnO_2分層結(jié)構(gòu)。該層級結(jié)構(gòu)是由大量薄納米片組成,納米花花瓣上多孔的特性能進(jìn)一步增加材料的活性表面,促進(jìn)氣體擴(kuò)散和在氣敏材料上的運(yùn)輸。氣敏測試結(jié)果驗(yàn)證了雪片狀的SnO_2結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的選擇性、高的響應(yīng)和快的響應(yīng)恢復(fù)性能。
【關(guān)鍵詞】：SnO_2 水熱法 三維結(jié)構(gòu) 氣敏性能
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.1;TQ134.32
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 緒論10-26
• 1.1 納米材料概述10-15
• 1.1.1 納米材料定義及分類10-11
• 1.1.2 納米材料的發(fā)展歷史11
• 1.1.3 納米材料的制備方法11-12
• 1.1.4 納米材料的基本效應(yīng)12-14
• 1.1.5 納米材料的特性及應(yīng)用14-15
• 1.2 納米二氧化錫15-17
• 1.2.1 SnO_2的晶體結(jié)構(gòu)15
• 1.2.2 SnO_2的基本性質(zhì)及應(yīng)用15-16
• 1.2.3 SnO_2的研究現(xiàn)狀16-17
• 1.3 納米半導(dǎo)體氣敏傳感器17-24
• 1.3.1 概述17
• 1.3.2 半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類17-18
• 1.3.3 半導(dǎo)體氣敏傳感器的性能指標(biāo)18-19
• 1.3.4 形貌對氣敏性能的影響19-22
• 1.3.5 氣敏機(jī)理22-24
• 1.4 論文的研究目的和主要內(nèi)容24-26
• 1.4.1 論文的研究目的24-25
• 1.4.2 論文的主要內(nèi)容25-26
• 2 材料合成、表征與性能測試26-32
• 2.1 實(shí)驗(yàn)方案26-27
• 2.2 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備27-28
• 2.3 結(jié)構(gòu)與形貌表征28-29
• 2.4 氣敏性能測試29-32
• 2.4.1 氣敏元件的制作29-30
• 2.4.2 氣敏性能測試系統(tǒng)30-32
• 3 棒狀二氧化錫的水熱合成與氣敏性能研究32-38
• 3.1 引言32
• 3.2 材料制備32-33
• 3.2.1 添加表面活性劑CTAB制備的實(shí)心棒狀SnO_232
• 3.2.2 添加表面活性劑PEG制備的中空棒狀SnO_232-33
• 3.3 材料的表征與分析33-34
• 3.4 生長機(jī)理和表面活性劑的影響34-35
• 3.5 氣敏性能研究35-37
• 3.6 本章小結(jié)37-38
• 4 一維納米棒/錐體組裝的花狀二氧化錫的水熱合成研究38-48
• 4.1 前言38
• 4.2 納米棒組裝的SnO_2花狀結(jié)構(gòu)38-42
• 4.2.1 材料的制備38
• 4.2.2 樣品的表征與分析38-39
• 4.2.3 反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)物形貌的影響39-40
• 4.2.4 生長機(jī)理分析40-41
• 4.2.5 氣敏性能測試41-42
• 4.3 納米錐體組裝的SnO_2花狀結(jié)構(gòu)42-45
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)部分42-43
• 4.3.2 樣品的表征與分析43-44
• 4.3.3 氣敏性能測試44-45
• 4.4 本章小結(jié)45-48
• 5 二維納米片組裝的多孔花狀二氧化錫的水熱合成研究48-56
• 5.1 前言48
• 5.2 一步水熱法合成的多孔SnO_2花狀結(jié)構(gòu)48-51
• 5.2.1 材料的制備48
• 5.2.2 樣品的表征與分析48-50
• 5.2.3 氣敏性能測試50
• 5.2.4 生長機(jī)制的討論與分析50-51
• 5.3 燒結(jié)處理前后的SnO_2花狀結(jié)構(gòu)對比51-54
• 5.3.1 材料的制備51-52
• 5.3.2 樣品的表征與分析52-53
• 5.3.3 生長機(jī)理53
• 5.3.4 氣敏性能測試53-54
• 5.4 本章小結(jié)54-56
• 6 結(jié)論與展望56-58
• 6.1 論文的主要結(jié)論56-57
• 6.2 展望57-58
• 致謝58-60
• 參考文獻(xiàn)60-68
• 附錄 A. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文68-69

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